Общие представления о проницаемости

Общие представления о проницаемости.

По характерикстике мембран различают ; различают активную (активный транспорт веществ) и пассивную (фагоцитоз и пиноцитоз ); пассивная и (в ряде случаев) активная обеспечиваются мембранными порами, проницаемость для низкомолекулярных веществ (например, ионов) обеспечивается специфическими мембранными структурами с участием молекул-переносчиков.

Одно важное свойство биологической мембраны – способностиь пропускать в клетку и из нее различные вещества. Это очень важно для саморегуляции и поддержания постоянного состава клетки. Такая функция клеточной мембраны выполняется благодаря избирательной проницаемости, т.е. способностью пропускать одни вещества и не пропускать другие. Легче всего проходят через липидный бислой неполярные молекулы с малой молекулярной массой (кислород, азот, бензол). Достаточно быстро проникают сквозь липидный бислой такие мелкие полярные молекулы, как углекислый газ, оксид азота, вода, мочевина. С заметной скоростью проходят через липидный бислой этанол и глицерин, а также стероиды и тиреоидные гормоны. Для более крупных полярных молекул (глюкоза, аминокислоты), а также для ионов липидный бислой практически непроницаем, так как его внутрення часть гидрофобна. Так, для воды коэффициент проницаемости (см/с) составляет около 10-2, для глицерина – 10-5, для глюкозы – 10-7, а для одновалентных ионов – меньше 10-10.

Биологические мембраны проницаемы для небольшого числа низкомолекулярных жирорастворимых веществ .Такая проницаемость (простая диффузия) играет сравнительно малую роль в процессах переноса веществ через мембраны. Важные процессы переноса (транслокации) веществ через биологическю мембрану происходят с участием специфических систем транспорта. Предполагают, что эти системы содержат мембранные переносчики (белки или липопротеиды) и, возможно, ряд компонентов, осуществляющих связанные с транспортом функции .Переносчик связывает переносимое вещество (субстрат) и может перемещаться в мембране. Если переносчики неподвижно фиксированы в биологической мембране, то считают, что в биологической мембране существуют специфические для переносимого вещества поры или каналы .Если переносчик связывается с субстратом путём невалентных взаимодействий (ионными, гидрофобными и др. силами), то такой процесс называется вторичной транслокацией; различают 3 её типа :облегчённая диффузия (унипорт), котранспорт (симпорт) и противотранспорт (антипорт). 

Диффузия (лат. diffusio — распространение, растекание, рассеивание) — процесс переноса материи или энергии из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией (против градиента концентрации).

Антипорт — перенос другого вещества в противоположном направлении. Например, натрий-калиевый насос в эукариотических плазматических мембранах работает по принципу антипорта, качая ионы натрия из клетки, а ионы калия — внутрь клетки.

Симпорт — парный транспорт двух различных органических молекул или ионов через мембрану клетки благодаря активному транспорту, осуществляемому специфичными белками, расположенными внутри мембраны. Такие белки называются котранспортерами.

 

 Ионный канал

Ионные каналы представляют собой специализированные белки клеточной мембраны которые образуют гидрофильный проход, по которому ионы могут пересекать клеточную мембрану по электрохимическому градиенту. Ток ионов, который рождается при передвижении заряженных ионов через мембранные каналы, иногда можно рассмотреть  как формау облегченной диффузии, так как в нем участвует транспортный белок. 
 
Проводимость мембраны – мера ионной проницаемости. Увеличение проводимости свидетельствует об увеличении количества ионов, проходящих через мембрану.

 

 Ионы Na+, K+, Са2+, Сl-, проходят внутрь клетки и выходят наружу через специальные, заполненные жидкостью каналы. Размер каналов мал. Расчеты дают знать, что суммарная площадь каналов имеют незначительную часть поверхности клеточной мембраны.

 

 Функцию ионных каналов можно изучить разнообразными способами. Самым распространенным является фиксация напряжения, или «voltage-clamp». Сущность метода заключается в том, что с помощью специальных электронных систем в процессе опыта изменяют и фиксируют на определенном уровне мембранный потенциал. При этом измеряют величину ионного тока, протекающего через мембрану. Если разность потенциалов постоянна, то по   закону Ома, величина тока пропорциональна проводимости ионных каналов. В ответ на ступенчатую деполяризацию открываются те или иные каналы, соответствующие ионы входят в клетку по электрохимическому градиенту, т. е. возникает ионный ток, который деполяризует клетку. Выше приведенное изменение регистрируется управляющими усилителями и через мембрану пропускается электрический ток, равный по величине, но противоположный по направлению мембранному ионному току. При этом трансмембранная разность потенциалов не изменяется. Совместное использование метода фиксации потенциала и специфических блокаторов ионных каналов привело к открытию различных типов ионных каналов в клеточной мембране.

 

 В нынешнее время можно сказать установлены многие типы каналов для различных ионов. Одни из них весьма специфичны, вторые, кроме основного иона, могут пропускать и другие ионы.

 

 Изученть функции отдельных каналов можно с помощью локальной фиксации потенциала «path-clamp». Стеклянный микроэлектрод заполняют солевым раствором- прижимают к поверхности мембраны и создают небольшое разрежение. При этом часть мембраны подсасывается к микроэлектроду. При присасывании в зоне оказывается ионный канал, то регистрируют активность одиночного канала. Система раздражения и регистрации активности канала мало отличается от системы фиксации напряжения.

 

 И ,Ток через одиночный ионный канал имеет прямоугольную форму и одинаков по амплитуде для каналов различных типов. Блительность пребывания канала в открытом состоянии имеет вероятностный характер, но также зависит от величины мембранного потенциала. Суммарный ионный ток определяется вероятностью нахождения в открытом состоянии в каждый конкретный период времени определенного числа каналов

 

 Наружная часть канала сравнительно доступна для изучения, исследование внутренней части представляет значительные трудности. Костюком был разработан внутриклеточный диализ, что позволяет понять функцию входных и выходных структур ионных каналов без применения микроэлектродов. Оказалось, что часть ионного канала, открытая во внеклеточное пространство, по своим свойствам отличается от части канала обращенной во внутриклеточную среду.

Ионные каналы обеспечивают два особа выделяющихся свойства мембраны: селективность и проводимость.

 

 Селективность канала обеспечивается его особой белковой структурой. Большинство каналов являются электроуправляемыми, и их способность проводить ионы зависит от величины мембранного потенциала. Канал можно сказать неоднороден по своим функциональным характеристикам, особенно это касается белковых структур, находящихся у входа в канал и у его выхода (так называемые воротные механизмы).

 

 Рассмотрим принцип работы ионных каналов по примеру натриевого канала. Можно пологать: в состоянии покоя натриевый канал закрыт. При деполяризации клеточной мембраны до определенного уровня происходит открытие m-активационных ворот и усиление поступления ионов Na+ внутрь клетки. Через несколько миллисекунд после открытия m-ворот происходит закрытие п-ворот, расположенных у выхода натриевых каналов (инактивация) . Инактивация развивается в клеточной мембране быстро и ее степень зависит от величины и времени действия деполяризующего стимула.

 

 Работа натриевых каналов определяется величиной мембранного потенциала в соответствии с определенными законами вероятности..,. Рассчитано, что активированный натриевый канал пропускает всего 6000 ионов за 1 мс. При этом ,весьма существенный натриевый ток, который проходит через мембраны во время возбуждения, представляет из себя сумму тысяч одиночных токов.

 

 При генерации одиночного потенциала действия в толстом нервном волокне изменение концентрации ионов Na+ во внутренней среде составляет всего 1/100000 от внутреннего содержания ионов Na гигантского аксона кальмара. Однако для тонких нервных волокон это изменение концентрации может быть весьма существенным.

 

 Помимо натриевых, установлены другие виды каналов, избирательно проницаемых для отдельных ионов: К+, Са2+, причем существуют разновидности каналов для этих ионов

 

 Хаксли и Хорджкин сформулировали принцип «независимости» каналов, по которому потоки натрия и калия через мембрану независимы друг от друга.

 

 Свойство проводимости различных каналов неодинаково. В частности, для калиевых каналов процесс инактивации, как для натриевых каналов, не существует. Имеются особые калиевые каналы, активирующиеся при повышении внутриклеточной концентрации кальция и деполяризации клеточной мембраны. Активация калий-кальцийзависимых каналов ускоряет реполяризацию, тем самым восстанавливая исходное значение потенциала покоя.

Электрогенез: история изучения и открытий

Попытки по изучению биоэлектрических явлений («животного электричества») известны с ХVIII века, когда были проведены исследования на «электрических» органах рыб. Исследования подготовили благоприятную почву для трудов Гальвани, заложивших основу электрофизиологии как вполне самостоятельной области науки. В 1791 г. им были опубликованы результаты исследований, в том числе знаменитого «балконного» опыта. Дальнейшее развитие представлений о природе «животного электричества» связано с внедрением в физиологию экспериментальных приемов и техники. в 1896 г. Чаговец высказал гипотезу о ионном механизме электрических потенциалов в живых клетках и сделал попытку применить для их объяснения теорию электролитической диссоциации Аррениуса. В 1902 г. Бернштейном была развита мембранно-ионная теория. Современные представления о природе биоэлектрических явлений в тканях базируются на результатах работ Алана Ходжкина, Эндрью Хаксли, Бернарда Катца.

В 1786 году итальянский врач и физиолог Гальвани, развесив для просушки лягушачьи лапки на балконе заметил, что когда раскачиваемая ветром лапка соприкасается с металлической решеткой балкона, то возникает ее сокращение. Гальвани сделал вывод, что если между нервом и мышцей устанавливается замыкание посредством металлического проводника, и при этом мышца сокращается, то это есть доказательство проявления «животного электричества». Он считал, что нерв и мышца заряжены противоположно.

 

Механизмы биоэлектрических явлений

Между наружной поверхностью клетки и ее протоплазмой в состоянии покоя существует разность потенциалов порядка 60-90 мв, причем поверхность клетки заряжена электроположительно по отношению к протоплазме. Эта разность потенциала называется мембранным потенциалом, Или потенциалом покоя.

По мембранно-ионной теории Ходжкина-Хаксли, биоэлектрические потенциалы обусловлены неодинаковой концентрацией ионов К+, Na+, Сl- ,.внутри и вне клетки, и различной проницаемостью для них поверхностной мембраны.

По данным электронной микроскопии, химического анализа и электрофизиологических исследований можно предположить , что мембрана состоит из двойного слоя молекул фосфолипидов, покрытого изнутри слоем белковых молекул, а снаружи - слоем молекул белка и мукополисахаридов. Допускается , что в клеточной мембране имеются тончайшие каналы , диаметром в несколько ангстрем. Через эти каналы молекулы воды и других веществ, а также ионы, имеющие соответствующий размеру пор диаметр, входят в клетку и покидают клетку . На структурных элементах мембраны фиксируются различные заряженные группы, и это придает стенкам каналов тот или иной заряд. Наличие в мембране нервных волокон диссоциированных фосфатных и карбоксильных групп является причиной) значительно менее проницаемости для анионов, чем для катионов.

Проницаемость мембраны для различных катионов неодинакова и закономерно изменяется при различных функциональных состояниях ткани. В покое мембрана нервных волокон примерно в 25 раз более проницаема для ионов К+ чем для ионов Na+. а при возбуждении натриевая проницаемость примерно в 20 раз превышает калиевую. Кроме проницаемости, большое значение для возникновения мембранного потенциала имеет градиент концентрации ионов по обе стороны мембраны.

Показано, что цитоплазма нервных и мышечных клеток содержит в 30-59 раз больше ионов К+ (500 мэкв/л против 10 мэкв/л), но в 8-10 раз меньше ионов Na+ (35 мэкв/л против 350 мэкв/л) и в 50 раз меньше ионов Сl- чем внеклеточная жидкость. Величина потенциала покоя нервных волокон и клеток определяется соотношением положительно заряженных ионов К+, диффундирующих в единицу времени из клетки наружу по градиенту концентрации, и положительно заряженных ионов Na+ диффундирующих по градиенту концентрации в обратном направлении. Так, в модельных опытах на аксоне кальмара при том градиенте концентрации К+, который имеет место в нервном волокне, величина тока К+ составляет -120 мв. Если же смоделировать в таком опыте только натриевый градиент, то величина тока Na+ составляет +30 мв. Реально измеряемый мембранный потенциал нерва равен сумме этих двух противоположно направленных токов, т.е. -90мв.

Несмотря на то, что скорость диффузии ионов Na+ и K+ через мембрану в покое мала, разность их концентрации вне клетки и внутри нее должна была бы в конечном итоге полностью выровняться, если бы в клетке не существовало специального механизма, который обеспечивает активное выделение из протоплазмы проникающих в нее ионов Na+ и введение ионов K+. Этот механизм получил образное название натрий калиевого насоса.

Для того чтобы сохранялась ионная асимметрия, Na-K-насос должен совершать определенную работу против градиента концентрации ионов. Непосредственным источником энергии для работы насоса является расщепление АТФ, которое происходит под влиянием АТФ-азы, локализованной в мембране и активируемой ионами Na+ и K+ (т.н. Na-K-зависимая АТФ-аза) Торможение активности этого фермента приводит к нарушению работы наcoca. В результате протоплазма обогащается Na+ и теряет K+. Прямым следствием этот является снижение или даже полное исчезновение МП (потенциала покоя, или мембранного потенциала).

Деполяризация мембраны возникает потому, что в силу градиента концентрации K+ выходит наружу, но из-за того, что ионы Сl-, которые не в состоянии пройти через мембрану, электростатически удерживают положительные ионы, в пограничном слое создается избыток K+, и между наружной и внутренней поверхностями мембраны, заряженными соответственно положительно и отрицательно, возникает разность потенциалов величиной около -90 мв. Мембрана в покое постоянно деполяризована, так как в результате работы Na-K-насоса поддерживается нужный для этого градиент концентрации ионов.