ИЗМЕРЕНИЕ ТРАНСМЕМБРАННОГО ПОТЕНЦИАЛА, КОНЦЕПЦИЯ ЭНЕРГИЗОВАННОЙ МЕМБРАНЫ || Параметры трансмембранного потенциала определяющие скорость проведения

Измерение трансмембранного потенциала

ИЗМЕРЕНИЕ ТРАНСМЕМБРАННОГО ПОТЕНЦИАЛА, КОНЦЕПЦИЯ ЭНЕРГИЗОВАННОЙ МЕМБРАНЫ || Параметры трансмембранного потенциала определяющие скорость проведения

Величину трансмембранного потенциала лучше всего измерять с помощью двух электродов, помещенных по разные стороны мембраны.

Однако этот способ применим лишь для плоских модельных мембранных систем и некоторых крупных клеток.

Обычно же приходится измерять потенциал на мембране либо протеоли-посом, либо клеток или органелл, например митохондрий или хло-ропластов. Для этих случаев разработано несколько методов.

Распределение ионов в соответствии с уравнением Нернста. В систему добавляют ион, способный проникать через мембрану, и он перераспределяется между внешней средой и внутренним объемом в соответствии с уравнением Нернста.

На этом принципе основано использование в качестве молекулярных зондов таких гидрофобных ионов, как ТФФ+ или 86кЬ-валиномицин. Чтобы определить трансмембранный потенциал, нужно знать концентрацию иона внутри везикулы, органеллы или клетки, что нередко превращается в серьезную проблему.

Ошибки в измерении Д* могут, в частности, возникнуть, если большие количества зонда связываются с мембранами клетки или если неправильно определен внутренний объем.

Спин-меченные ЭПР-зонды. Для этой цели используют несколько зондов — гидрофобных ионов, к которым ковалентно пришита парамагнитная нитроксильная группа.

Концентрацию зонда, связанного с мембраной, легко определить из спектра ЭПР; при образовании на мембране потенциала зонд перераспределяется между фазами, и по изменению его концентрации в мембране можно оценить величину Д*.

Изменение концентрации мембраносвязанного зонда обусловлено тем, что для внутривезику-лярного пространства отношение площади поверхности к объему гораздо больше, чем для внешнего раствора.

Оптические молекулярные зонды. Спектральные характеристики многих оптических зондов зависят от трансмембранного потенциала. Из наиболее распространенных назовем флуоресцентные производные мероцианина, оксонола и цианиновые красители.

Все эти соединения связываются с мембраной, и, по-видимому, в основе их реакции на изменения трансмембранного потенциала может лежать несколько механизмов.

Чаще всего взаимодействие электрического диполя, каким является зонд, с электрическим полем приводит к изменению ориентации диполя в бислое. В ряде случаев изменение степени агрегации зонда в бислое влечет за собой изменение квантового выхода флуоресценции.

Большинство зондов применяют для определения трансмембранного потенциала, имеющего знак минус внутри везикулы, однако некоторые красители, например оксонолы, используются при обратной полярности потенциала.

К зондам другого типа, спектр поглощения которых чувствителен к трансмембранному потенциалу, относятся соединения стирольной природы, образующие в мембране конъюгированные структуры. Изменение их спектров поглощения при наложении потенциала обусловлено так называемым явлением электрохро-мизма.

Переход молекулы зонда из основного состояния в возбужденное при поглощении кванта света сопровождается перераспределением электронов. На энергию электронного перехода влияет градиент потенциала, вектор которого параллелен направлению этого смещения заряда.

Подобные электрохромные изменения спектра наблюдаются также для природных пигментов фотосинтетических мембран — каротиноидов. Преимущество зондов этого типа состоит в том, что соответствующие реакции происходят очень быстро и не зависят от степени агрегации или распределения зонда.

Все эти свойства делают такие зонды особенно полезными для быстрых кинетических измерений.

КОНЦЕПЦИЯ ЭНЕРГИЗОВАННОЙ МЕМБРАНЫ

Термин «энергизованная мембрана» трактуется обычно довольно широко, но в действительности он означает лишь, что поток ионов через бислой может использоваться для совершения работы. Чаще всего ионный поток создают протоны, и разность электрохимических потенциалов протонов между двумя разделенными бислоем фазами называется протондвижущей силой.

Как мы уже говорили, бислой создает весьма высокий энергетический барьер для ионов металлов.

Коэффициент проницаемости однослойных везикул для Na+ составляет всего 10″ 12–Ю-14 см/с, но даже столь малая величина на порядок выше скорости, предсказываемой исходя из модели растворения–диффузии, если воспользоваться уравнением Борна для оценки энергии, необходимой для перемещения иона из водной фазы в центр мембраны.

Механизм переноса ионов через липидный бислой пока неясен, но в литературе обсуждается несколько конкурирующих теорий, в основе которых лежит предположение о существовании дефектов упаковки молекул фосфолипидов в бислое.

Постулируется, что эти дефекты возникают спонтанно, подобно флуктуирующим полостям или кинкам, либо формируются на границе раздела сосуществующих в мембране жидкокристаллической фазы и фазы геля. Ионная проницаемость в общем случае максимальна при температуре фазового перехода гель — жидкий кристалл, но это не так для воды и протонов. Следует напомнить, что стационарный поток ионов через бислой должен быть электронейтральным, т. е. для поддержания нейтральности поток одних ионов должен быть сопряжен с потоком других ионов.

Как бы то ни было, ясно, что бислой представляет собой труднопреодолимый барьер для простых анионов и катионов. Однако, как уже говорилось, ионы большего радиуса из-за уменьшения энергии Борна будут легко проникать через мембрану. Довольно легко могут пересекать бислой и гидрофобные ионы.

ПРОНИЦАЕМОСТЬ ДЛЯ ПРОТОНОВ

Как показывают измерения на модельных мембранах, проницаемость липидного бислоя для протонов исключительно высока. Экспериментально отличить проницаемость для протона от проницаемости для гидроксила довольно трудно, поэтому в литературе ее обозначают Н + /ОН”.

В дальнейшем эту проницаемость мы будем для простоты называть протонной. Приводимые в литературе значения коэффициента проницаемости для протона варьируют в довольно широких пределах, обычно от Ю-4 до 10 8 см/с.

Столь значительный разброс объясняют экспериментальными различиями в размерах везикул, в величине создаваемого трансмембранного градиента рН, в степени ненасыщенности липидов.

Ясно тем не менее, что проницаемость для протона по крайней мере в 106 раз выше, чем для других простых ионов, причем это относится как к биомембранам, так и к модельным системам.

Приведенные данные однозначно указывают на существование специального механизма протонной проницаемости. Это, в частности, подтверждает тот факт, что скорость транспорта протонов не определяется простым электростатическим барьером в мембране. Природа этого явления неизвестна.

Согласно одной из моделей, в мембране имеются временные пересекающие всю толщу бислоя цепочки из молекул воды, соединенных водородными связями; по этим цепочкам по эстафетному механизму и осуществляется перенос протонов. Однако прямых даннах о существовании таких цепочек воды пока нет.

В других работах постулируется, что аномально высокая проводимость фосфолипидных бислоев для протонов обусловлена в основном присутствием в мембране небольших количеств слабых кислот, например свободных жирных кислот, которые при физиологических рН выступают в роли переносчиков протонов.

Однако расчеты показывают, что всю аномально большую протонную проводимость липосом эта гипотеза объяснить не может.

Было показано также, что протоны способны быстро диффундировать вдоль границы раздела мембрана–раствор и протонировать анионные формы адсорбированных на поверхности мембраны слабых кислот. При этом околоповерхностный барьер для быстрого установления равновесия по протонам между наружным раствором и протонированными группами на поверхности мембраны отсутствует.

Поскольку перенос протонов через бислой является ключевым процессом для большинства биоэнергетических систем, вопрос о механизме диффузионной проницаемости мембраны для протонов представляет особый интерес.

В экспериментальном плане протонная проводимость имеет большое значение при изучении реконструированных в фосфолипидные везикулы протонпереносящих белков.

Исследования показывают, что встраивание белков в такие системы почти не влияет на протонную проводимость, однако важным фактором, способным изменить пассивную проницаемость мембраны для протонов, могут служить противоионы и величина трансмембранного потенциала.

Другой важный для биоэнергетики вопрос заключается в том, каким образом происходит диффузия протона из одного места в другое на поверхности мембраны. Например, изображенный на рис. 6.5 протонный цикл предполагает диффузию протонов от про-тонпереносящих ферментов к АТР-синтазам.

Весь вопрос в том, устанавливается ли равновесие между этими протонами и наружным раствором или существует некий локализованный путь переноса протонов вдоль поверхности или внутри мембраны. Как уже упоминалось, отсутствие околомембранного барьера для быстрого уравновешивания протона между локализованными на поверхности бислоя протолитическими группами и раствором доказано экспериментально.

Однако в серии изящных исследований было показано, что латеральная диффузия протонов вдоль поверхности фос-фолипидного монослоя может осуществляться в 20 раз быстрее, чем диффузия через объем. Предполагается, что диффузия идет посредством эстафетной передачи вдоль двумерной сетки водородных связей, образованных полярными головками фосфолипидов и молекулами воды на поверхности мембраны.

Биологическую значимость обнаруженного явления, однако, еще предстоит выяснить, а с выводами согласны далеко не все исследователи.

Page 3

Ионофоры — это довольно разнородная группа соединений, увеличивающих проницаемость мембран для ионов. Один ионофоры, например грамицидин А и аламетицин, формируют в бислое каналы, другие образуют стехиометрические комплексы с катионами и тем самым облегчают транспорт этих ионов через липидный бислой.

Ионофоры являются весьма полезными инструментами в мембранных исследованиях, особенно при изучении биоэнергетических или иных зависимых от ионного градиента систем.

Поскольку такие ионофорно-катионные комплексы могут проявлять довольно высокую специфичность к определенным ионам, с их помощью можно избирательно манипулировать ионными градиентами и электрическим потенциалом на мембране. Некоторые комплексы ионофора и катиона не заряжены, и катион переносится в нейтрализованной форме.

Другие комплексы заряжены и диффундируют через бислой подобно уже обсуждавшимся гидрофобным ионам. Ниже кратко охарактеризованы некоторые наиболее часто используемые ионофоры.

СССР и близкий к нему FCCP представляют собой слабые кислоты. Протонированная форма электронейтральна и, как показано, легко проникает через мембрану, в то время как проницаемость депротонированной формы составляет — 1

Источник: https://studbooks.net/820443/meditsina/izmerenie_transmembrannogo_potentsiala

BioFine

ИЗМЕРЕНИЕ ТРАНСМЕМБРАННОГО ПОТЕНЦИАЛА, КОНЦЕПЦИЯ ЭНЕРГИЗОВАННОЙ МЕМБРАНЫ || Параметры трансмембранного потенциала определяющие скорость проведения

Трансмембранный потенциал по определению есть разность электрических потенциалов между двумя водными фазами, разделенными мембраной. Связь между трансмембранным потенциалом и поверхностными потенциалами *i и ♦г графически представлена на рис. 7.

10, А Из схемы видно, что разность потенциалов между двумя поверхностями мембраны ДФ может отличаться от Д* из-за асимметричного распределения заряда между двумя поверхностями бислоя. Любая находящаяся внутри мембраны заряженная группа будет перемещаться в поле с потенциалом ДФ.

Д* называют также потенциалом покоя, и именно эту величину, если удается, измеряют парой электродов.

Создать трансмембранный потенциал можно несколькими способами. Схематически они изображены на рис. 7.11.

1. Равновесные условия. Если мембрана проницаема для какого-то определенного иона, например Na +, и непроницаема для других, то на ней может возникнуть диффузионный потенциал, пропорциональный логарифму отношения концентраций проникающего иона по одну и другую стороны мембраны.

Диффузия иона через мембрану сопровождается трансмембранным разделением зарядов, и создаваемая при этом разность потенциалов препятствует дальнейшей диффузии. Заряд, который нужно переместить через мембрану для создания на ней данного значения Aif, можно вычислить исходя из емкости мембраны.

Для создания Д* = 100 мВ нужно перенести примерно один заряд на 250 молекул фосфолипида. Ясно, что поверхностная плотность заряда при этом изменится крайне незначительно.

В равновесии Д* определяется уравнением Нернста:

Это же уравнение следует использовать в случае переноса иона с валентностью Z. Проницаемость биомембран для ионов связана с работой специфических ионных каналов. Ее можно искусственно увеличить с помощью специфических переносчиков ионов или ионофоров, например К + -вали-номицина.

2.Стационарный диффузионный ионный ток. Если мембрана проницаема дял нескольких ионов, то все они будут перемещаться через нее.

При этом в стационарных условиях из-за различий в коэффициентах проницаемости для разных ионов может возникнуть трансмембранная разность потенциалов.

Иными словами, разделение зарядов на мембране в такой ситуации будет связано с тем, что одни ионы диффундируют через мембрану быстрее других. Уравнение, описывающее данную ситуацию, называется уравнением Гольдмана—Ходжкина—Каца и для случая двух ионов имеет следующий вид:

Перемещение ионов будет продолжаться до тех пор, пока не установится равновесие.

3.Активный перенос ионов. Трансмембранное разделение зарядов может происходить и с помощью процессов активного транспорта. Многие ферменты катализируют реакции, сопряженные с векторным переносом зарядов через бислой.

В качестве примеров можно привести разнообразные АТР-зависимые ионные насосы, например Са2 + -АТРазу или цитохром с-оксидазу, представляющую собой протонный насос. Здесь мы отметим лишь, что катализируемые этими ферментами реакции являются электрогенными, т. е. сопровождаются переносом зарядов через бислой.

Очевидно, в такой системе должен существовать какой-то трансмембранный нейтрализующий ионный поток. В системе, представленной на рис. 7.11, таким потоком является пассивный контртранспорт ионов CI ~, возникающий при работе протонного насоса.

Как и в случае пассивных ионных потоков, скорость потока противоионов будет меньше, чем скорость активного процесса, и в результате суммарный поток ионов через бислой не будет электронейтральным и на мембране возникнет разность потенциалов №.

Если проницаемость бислоя для нейтрализующих ионов сделать достаточно большой, то разделения зарядов уже не будет. На этом принципе основано использование ионофоров для устранения трансмембранного электрического потенциала, создаваемого как на биологических мембранах, так и в модельных системах.

Также смотрите:

Определение активности
Определение способности штаммов подвергать деградации ПАВ определяли с помощью модифицированного нами метода лунок Турковской (Турковская, 1997,): в центре застывшей среды ПА/10 в чашках Петри стерильным пробочным сверлом вырезали лунку. Микроорганизмы высевались штри …

Рыбоводный расчет. Рыбоводный расчет русского осетра
Необходимо получить 1,2 млн. шт. молоди русского осетра. Исходя из биотехнических нормативов посчитаем необходимое для этого количество. 1) Выход молоди из выростных прудов составляет 80%. 1,2/х = 80/100, х = 1,2 х 100/80 = 1,5 млн. Следовательно в пруды должно быть …

Почвенные водоросли
Несмотря на свое название, водоросли встречаются не только в воде. Например, их очень много в почве. В 1 г хорошо унавоженной почвы можно обнаружить ок. 1 млн. их отдельных экземпляров. Те, что сосредоточены на поверхности почвы и непосредственно под ней, питаются пут …

Источник: http://www.biofine.ru/bfins-812-1.html

MED24INfO

ИЗМЕРЕНИЕ ТРАНСМЕМБРАННОГО ПОТЕНЦИАЛА, КОНЦЕПЦИЯ ЭНЕРГИЗОВАННОЙ МЕМБРАНЫ || Параметры трансмембранного потенциала определяющие скорость проведения
Для возбудимых тканей характерно изменение трансмембранного потенциала под действием раздражителей. В том случае, если трансмембранный потенциал увеличивается по отношению к МПП, говорят о гиперполяризации, если уменьшается — о деполяризации, если после деполяризации трансмембранный потенциал вновь увеличивается до МПП — это реполяризация.

Мембрана нейрона способна регулировать два принципиально различающихся по свойствам типа электрических процесса — это локальный ответ (препотенциал или в случае с рецепторами —рецепторный потенциал) и потенциал действия. Локальный ответ — это потенциал, развивающийся при действии подпороговых, для данной клетки или группы клеток, по силе раздражителей [13, 26,31] (рис. 3.8).

Механизм генерации локального ответа, представленного на рис. 3.8, заключается в следующем. На начальном этапе осуществляется физическая деполяризация участка мембраны (уменьшается трансмембранный потенциал). Причиной физической деполяризации может служить, например, изменение трансмембранного потенциала соседней клетки.

Снижение трансмембранного потенциала вызывает изменение трехмерной структуры белковой молекулы канала. При этом происходит открытие Nav потенциал-зависимых каналов (управляющий фактор — траисмемб- ранный потенциал) и, как следствие, формируется входящий в клетку (по градиенту концентрации) натриевый ток.

Натрий «приносит» в клетку положительный заряд и, как следствие, уменьшается трансмембранный потенциал. Таким образом, формируется фаза деполяризации. В дальнейшем Na+ потенциал-зависимые каналы закрываются и тем самым входящий в клетку натриевый ток прекращается.

Фаза реполяризации (следующая фаза после деполяризации) формируется за счет открытия К+-потенциал, зависимых каналов, при этом выходящий ток К* «выносит» положительный заряд. При приближении значения трансмембранного потенциала к значению МПП калиевые каналы закрываются и калиевый ток из клетки уменьшается.

Благодаря описанным выше механизмам формируется двухфазный (деполяризация и реполяризация) локальный ответ. Рис. 3.8. Локальный ответ нейрона Локальные ответы подчиняются закону силы, что служит предпосылкой для одного из вариантов кодирования информации в нервной системе [13]. I Закон силы: чем больше сила раздражителя, тем больше величина ответной реакции.

Следовательно, в амплитуде локального ответа закодирована сила раздражителя. В соответствии с законом силы функционируют сложные структуры, например скелетная мышца. Амплитуда ее сокращений от минимальных (пороговых) величин постепенно увеличивается с увеличением силы раздражителя де субмаксимальных и максимальных значений.

Это объясняется тем, что скелетная мышца состоит из множества мышечных волокон, каждое из которых имеет свою возбудимость. Поэтому вначале, когда сила раздражителя пороговая, отвечают только те мышечные волокна, которые имеют самую высокую возбудимость.

С увеличением силы раздражителя в реакцию вовлекается все большее и большее количество мышечных волокон, поскольку сила раздражителя для них становится пороговой или сверхпороговой.

Когда в реакцию вовлечены все мышечные волокна (для всех раздражитель становится пороговым или сверхпороговым), составляющие данную мышцу, дальнейшее увеличение силы раздражителя не приводит к увеличению амплитуды сокращения [27,32]. Другим важным свойством локального ответа является его способность к суммации [14,26,32] (рис. 3.9). На представленном рис. 3.

9 видно, что после дополнительного деполяризующего воздействия, время нанесение которого отмечено стрелкой, дальнейшая деполяризация начинается не с уровня МПП, а с уровня, уже достигнутого предыдущим воздействием локального ответа (пунктирной линией отмечено изменение трансмембранного потенциала при отсутствии дополнителного раздражителя).

Амнлитуда локального ответа не может расти до бесконечности. На определенном этапе значения трансмембранного потенциала достигают критическпгоуровня деполяризации (КУД) и процесс деполяризации становится самоусиливаюшимся, что свидетельствует о появлении качественно нового электрического процесса на мембране — потенциала действия (рис. 3.10).

КУД – это своего рода граница, порог, разделяющий два процесса, протекающих на мембране одной клетки. Таким образом, тот раздражитель, который деполяризует мембрану до уровня КУД, и будет являться пороговым. А соответственно, разность потенциалов между МПП и КУД — пороговым потенциалом, который характеризует возбудимость клетки.

На первом этапе локальный ответ представляет собой деполяризацию, при этом появляется входящий натриевый ток. Важно отметить, что локальный ответ возникает не только при подпороговом, но и при пороговом и сверхпороговом раздражении и является неотъемлемой частью потенциала действия. При достижении КУД деполяризация принимает самовоспроизво- дящийся характер [14, 27, 32].

В этот момент натрий «лавинообораз- но» поступает в клетку, что связано с массовым открытием натриевых потенциал-зависимых каналов. Открытие каналов вызывает деполяризацию, а деполяризация мембраны вызывает открытие натриевых потенциал-зависимых каналов. На рис. 3.

10 видно быстрое уменыие- ние мембранного потенциала и даже перезарядку мембраны: внутренняя ее часть на некоторое время становится заряженной положительно, а внешняя — отрицательно (овершут). Б отличие от локального ответа скорость и величина деполяризации не зависят от силы раздражителя, т. е. работает закон «все или ничего». Рис. 3.10.

Схема потенциала действия ответа За фазой деполяризации наступает фаза реполяризации. Фаза реполяризации характеризуется восстановлением мембранного потенциала под действием выходящего из клетки калиевого тока.

В механизме реполяризации участвуют не только открывающиеся потенциал-за- висимые каналы, через которые ионы калия покидают клетку, но и натриевые потенциал-зависимые каналы, которые закрываются (ин- кативируются), что обеспечивает замедление деполяризации вплоть до ее полной остановки.

После увеличения в ходе реноляризаиии трансмембранного потенциала больше КУД последовательно формируются два вида следовых потенциалов — следовая деполяризация и следовая гшерполяризация.

Следовая деполяризация является продолжением фазы реполяризации и характеризуется более медленным (по сравнению с фазой ре- поляризации) восстановлением потенциала покоя (выходящий калиевый ток здесь по-прежнему является основным). Следовая деполяризация переходит в следовую гиперполяризацию, представляющую собой временное увеличение мембранного потенциала выше уровня МПП.

В некоторых случаях следовая деполяризация может переходить в следовую гиперполяризацию, затем иногда возникает новая деполяризация, лишь после этого происходит полное восстановление потенциала покоя [26, 27].

В основе изменения трансмембранного потенциала лежат ионные механизмы, которые, в свою очередь, основываются на изменении проницаемости мембраны для ионов, в первую очередь натрия и калия. При действии на клетку раздражителя проницаемость мембраны для ионов Na* резко повышается за счет активации (открывания) натриевых каналов (хемо- или потенциал-зависимых).

При этом ионы Na+ по градиенту концентрации попадают в клетку. Поскольку поток Na+ в клетку начинает превышагь калиевый ток из клетки, то происходит постепенное снижение разности потенциалов между внутри- и внеклеточной средой, приводящее к реверсии — изменению знака мембранного потенциала. Здесь внутренняя поверхность мембраны становится положительной по отношению к ее внешней поверхности. Указанные изменения мембранного потенциала соответствуют восходящей фазе потенциала действия, и в частности овершуту. Мембрана высокопроницаема для ионов NaT лишь очень короткое время: не более 0,5 мс. После этого проницаемость мембраны для ионов Na+ понижается, а для ионов К+ возрастает: трансмембранный потенциал увеличивается. В течение потенциала действия в клетку поступает значительное количество Na+, а ионы К+ покидают клетку. Восстановление клеточного ионного баланса осуществляется благодаря работе Na4. К+-насоса, активность которого возрастает при повышении внутренней концентрации ионов Na+ и увеличении внеклеточной концентрации ионов К\ Благодаря работе Na1, К+-насоса первоначальная концентрация этих ионов во внутриклеточном пространстве постепенно восстанавливается. За один потенциал действия концентрация вне- и внутриклеточных ионов существенно нс меняется и нейрон способен сгенерировать большое количество потенциалов, прежде чем концентрация ионов существенно изменится. Итогом вышеперечисленных процессов является генерация потенциала действия с возврашением мембраны в исходное состояние. Важную роль в генерации потенциала действия и в целом ряде элек- трифизиологических феноменов играют натриевые потенциал-зави- симые каналы. Особенностью строения этих каналов является наличие двух ворот, т и к (рис. 3.11). Первые считаются быстрыми, а вторые — медленными. В зависимости от того, какие ворота открыты, а какие закрыты, клетка может менять свое функциональное состояние [13, 26, 27, 32]. Ниже представлены этапы функционирования каналов. Рис. 3.11. Функционирование натриевого потенциал-зависимого канала

Основные состояния натриевых каналов представлены на рис. 3.10.

  1. В покое канал закрыт (закрыты m-ворота). Движение ионов через канал невозможно.
  2. При деполяризации 7Я-ворота (быстрые ворота) открываются и канал активируется (через него возможен ток Na+). Однако //-ворота (медленные ворота) закрываются. За то время, что быстрые ворота уже открыты, а медленные еще не закрылись, канал акти-
  3. При длительной деполяризации закрываются h-ворота (инактивирующие ворота), расположенные у внутренней стороны мембраны, и канал инактивируется. Вновь открыть его для тока ионов можно лишь сняв инактивацию, что достигается реполяризацией до уровня потенциала покоя. Вновь открываются /z-ворота и закрываются m-ворота. Канал снова потенциально активен [26,32]. Закон «все или ничего»: подпороговые раздражители не вызывают ответной реакции («ничего»), на пороговые раздражители возникает максимальная ответная реакция («все»).

Закон «все или ничего» далеко не абсолютен. Подобные реакции наблюдаются на уровне электрогенеза в клетке, но, к примеру, раздражители подпороговой силы вызывают в ткани изменения мембранного потенциала покоя в виде возникновения местного возбуждения (локального ответа). Возбудимость в различные фазы потенциала действия не одинакова и меняется в очень широких пределах (рис. 3.12). Так, во время локального ответа возбудимость повышена. Б этот период клетка может быть возбуждена (т. е. сгенерировать потенциал действия) даже в ответ на субпороговый раздражитель (вспомните суммацию локальных ответов). Когда мембранный потенциал достигает уровня КУД, происходит открытие натриевых каналов, следовательно новый раздражитель не вызовет ответную реакцию, так как каналы уже открыты. В дальнейшем ответная реакция невозможна по другой причине: натриевые каналы хотя и закрыты, но инактивированы (ft-ворота закрыты) и, следовательно, возбудить клетку нельзя. Эта фаза называется фазой абсолютной рефрактерности. При приближении мембранного потенциала к уровню КУД инактивация частично снимается и клетку можно возбудить действуя сверхпороговым раздражителем. Эта фаза получила название относительной рефрактерности. Как только мембранный потенциал превосходит КУД, инактивация снимается, а поскольку разность между КУД и мембранным потенциалом невелика, то клетку можно возбудить субпороговым стимулом. Это фаза супер- нормальной (сверхнсрмальной возбудимости). Когда мембранный потенциал превышает МПП, развивается фаза субгюрмальной возбудимости. Во время этой фазы клетку можно возбудить лишь сверхпороговым раздражителем [32].

Задания и вопросы для проверки усвоения знаний

  1. Выберите правильный вариант ответа.

а)              входящий натриевый ток; б)              выходящий натриевый ток; в)              входящий калиевый ток; г)              выходящий калиевый ток;

д)              ни один из вышеперечисленных.

а)              входящий натриевый ток; б)              выходящий натриевый ток; в)              входящий калиевый ток; г)              выходящий калиевый ток;

д)              ни один из вышеперечисленных.

  1. В фазу деполяризации (выберите два ответа):

а)              m-ворота открыты; б)              й-ворота открыты,- в)              те-ворота закрыты; г)              й-ворота закрыты;

д)              ни одно не верно.

  1. В фазу абсолютной рефрактерности нейрон можно возбудить:

а)              сверхпороговым раздражителем; б)              пороговым раздражителем; в)              подпороговым раздражителем;

г)              ни одним из перечисленных выше.

  1. В фазу относительной рефрактерности нейрон можно возбудить:

а)              сверхпороговым раздражителем; б)              пороговым раздражителем; в)              подпороговым раздражителем; г)              ни одним из перечисленных выше.

II. Выполните следующие задания и ответьте на вопросы.

  1. Приведите классификацию каналов мембраны.
  2. Перечислите фазы локального ответа.
  3. Опишите «закон силы».
  4. Дайте характеристику ионным токам при потенциале действия.
  5. В чем сущность закона «все или ничего»?

Список тем для подготовки реферативных докладов

  1. История изучения электрических процессов у живых организмов.
  2. Электрогенез в нервной ткани.
  3. Методы исследования потенциала действия.
  4. Влияние различных химических веществ на генерацию потенциала действия.
  5. Строение каналов мембраны.

Источник: http://www.med24info.com/books/fiziologiya-centralnoy-nervnoy-sistemy-dlya-psihologov/izmenenie-transmembrannogo-potenciala-24544.html

45. Трансмембранный потенциал ионов водорода и его роль в окислительном фосфорилировании. АТФ-синтетаза

ИЗМЕРЕНИЕ ТРАНСМЕМБРАННОГО ПОТЕНЦИАЛА, КОНЦЕПЦИЯ ЭНЕРГИЗОВАННОЙ МЕМБРАНЫ || Параметры трансмембранного потенциала определяющие скорость проведения

Перенос электронов по дыхательной цепи от NADH к кислороду сопровождается выкачиванием протонов из матрикса митохондрий через внутреннюю мембрану в межмембранное пространство. На эту работу затрачивается часть энергии электронов, переносимых по ЦПЭ.

Протоны, перенесённые из матрикса в межмембранное пространство, не могут вернуться обратно в матрикс, так как внутренняя мембрана непроницаема для протонов.

Таким образом, создаётся протонный градиент, при котором концентрация протонов в межмембранном пространстве больше, а рН меньше, чем в матриксе.

Кроме того, каждый протон несёт положительный заряд, и вследствие этого появляется разность потенциалов по обе стороны мембраны: отрицательный заряд на внутренней стороне и положительный – на внешней.

В совокупности электрический и концентрационный градиенты составляют электрохимический потенциал ΔμН+ – источник энергии для синтеза АТФ. Так как наиболее активный транспорт протонов в межмембранное пространство, необходимый для образования ΔμН+, происходит на участках ЦПЭ, соответствующих расположению комплексов I, III и IV, эти участки называют пунктами сопряжения дыхания и фосфорилирования.

Механизм транспорта протонов через митохондриальную мембрану в пунктах сопряжения недостаточно ясен. Однако установлено, что важную роль в этом процессе играет KoQ. Наиболее детально механизм переноса протонов при участии KoQ изучен на уровне комплекса III.

KoQ переносит электроны от комплекса I к комплексу III и протоны из матрикса в межмембранное пространство, совершая своеобразные циклические превращения, называемые Q-циклами.

Донором электронов для комплекса III служит восстановленный убихинон (QH2), а акцептором – цитохром с.

Цитохром с находится с внешней стороны внутренней мембраны митохондрий; там же располагается активный центр цитохрома с1 с которого электроны переносятся на цитохром с.

Энергия протонного потенциала (электрохимического потенциала ΔμН+) используется для синтеза АТФ, если протоны возвращаются в матрикс через ионные каналы АТФ-синтазы.

Сопряжение переноса электронов через дыхательный комплекс III с транспортом Н+ через мембрану.

Восстановленный убихинон (QH2) взаимодействует с Fе3+ гема b1 и, восстанавливая его, освобождает протон в водную фазу, превращаясь в семихинон (НQ•). Электрон от тема b1 переносится на Fe3+ тема b2.

HQ•отдаёт второй электрон на FeS-центр, расположенный ближе к наружной поверхности мембраны; при этом второй протон оказывается в межмембранном пространстве; электрон передаётся на цитохром с1, а далее на цитохром с.

Окисленный Q диффундирует к внутренней стороне мембраны, где получает электрон от тема b2 и протон из матрикса, превращаясь в НQ•. НQ• получает электрон от комплекса I и протон из матрикса; в мембране образуется QН2, и весь процесс повторяется сначала.

В мембране существует стационарный общий фонд Q/QH2, из которого каждая молекула QH2 в одном цикле обеспечивает перенос протонов из матрикса в межмембранное пространство и электронов, которые в конечном итоге поступают на кислород.

На работу, совершаемую при выкачивании протонов, расходуется часть свободной энергии, которая освобождается при переносе электронов по градиенту редокс-потенциала.

Энергия электрохимического потенциала (∆μH+) используется для синтеза АТФ, если протоны возвращаются в матрикс через ионные каналы АТФ-синтазы.

Строение АТФ-синтазы и синтез АТФ.

АТФ-синтаза (Н+-АТФ-аза) – интегральный белок внутренней мембраны митохондрий. Он расположен в непосредственной близости к дыхательной цепи. АТФ-синтаза состоит из 2 белковых комплексов, обозначаемых как F0 и F1.

Гидрофобный комплекс F0 погружён в мембрану. Он служит основанием, которое фиксирует АТФ-синтазу в мембране. Комплекс F0 состоит из нескольких субъединиц, образующих канал, по которому протоны переносятся в матрикс.

Строение и механизм действия АТФ-синтазы.

А – F0 и F1 – комплексы АТФ-синтазы, В состав F0 входят полипептидные цепи, которые образуют канал, пронизывающий мембрану насквозь.

По этому каналу протоны возвращаются в матрикс из межмембранного пространства; белок F1 выступает в матрикс с внутренней стороны мембраны и содержит 9 субъединиц, 6 из которых образуют 3 пары α и β (“головка”), прикрывающие стержневую часть, которая состоит из 3 субъединиц γ, δ и ε.

γ и ε подвижны и образуют стержень, вращающийся внутри неподвижной головки и связанный с комплексом F0. В активных центрах, образованных парами субъединиц α и β, происходит связывание АДФ, неорганического фосфата (Рi) и АТФ.

Б – Каталитический цикл синтеза АТФ включает 3 фазы, каждая из которых проходит поочерёдно в 3 активных центрах:

1 – связывание АДФ и Н3РО4;

2 – образование фосфоангидридной связи АТФ;

3 – освобождение конечного продукта.

При каждом переносе протонов через канал F0 в матрикс все 3 активных центра катализируют очередную фазу цикла. Энергия электрохимического потенциала расходуется на поворот стержня, в результате которого циклически изменяется конформация α- и β-субъединиц и происходит синтез АТФ.

Комплекс F1 выступает в митоховдриальный матрикс. Он состоит из 9 субъединиц (Зα, 3β, γ, ε, δ). Субъединицы аир уложены попарно, образуя “головку”; между α- и β-субъединицами располагаются 3 активных центра, в которых происходит синтез АТФ; γ-, ε-, δ- субъединицы связывают комплекс F1 с F0.

Повышение концентрации протонов в межмембранном пространстве активирует АТФ-синтазу. Электрохимический потенциал ΔμH+ заставляет протоны двигаться по каналу АТФ-синтазы в матрикс.

Параллельно под действием ΔμH+ происходят конформационные изменения в парах α, β-субъединиц белка F1, в результате чего из АДФ и неорганического фосфата образуется АТФ.

Электрохимический потенциал, генерируемый в каждом из 3 пунктов сопряжения в ЦПЭ, используют для синтеза одной молекулы АТФ.

Источник: https://vseobiology.ru/biokhimiya/1364-45-transmembrannyj-potentsial-ionov-vodoroda-i-ego-rol-v-okislitelnom-fosforilirovanii-atf-sintetaza

МедЗабота
Добавить комментарий