Механизмы транспорта веществ через клеточную мембрану нейрона
Возбудимость нервной клетки (переход от покоя к специфической активности) обеспечивается в наибольшей степени процессами, происходящими на ее поверхностной мембране. Последующее изложение лекции подводит к пониманию механизмов подобного перехода.
Концентрационный и электрический градиенты
Между клеткой и окружающим пространством происходит обмен веществ из-за того, что ионы и небольшие молекулы одновременно растворены в водной среде клетки и во внеклеточном пространстве в различных концентрациях.
Эксперименты, положенные в основу мембранной теории, были проведены в 40-х годах ХХ века на гигантских аксонах кальмара (диаметр до 1 мм) британскими физиологами Аланом Ходжкиным и Эндрю Хаксли, лауреатами Нобелевской премии 1963 года.
При невозбужденном состоянии клеточной мембраны ионы по разные ее стороны распределяются неравномерно.
Каждый ион имеет заряд, следовательно возникает разница зарядов –потенциал:
| Виды ионов | Цитоплазма ммоль/л | Внеклеточная жидкость ммоль/л | Равновесный потенциал мВ |
| Калий | 400 | 20 | -75 |
| Натрий | 50 | 440 | +55 |
| Хлор | 52 | 560 | -60 |
| Анионы органические | 385 | Нет | - |
Концентрация К+ внутри клетки намного больше, а концентрация ионов Na+ и Cl+, напротив, значительно больше во внеклеточной жидкости. Органические анионы (отрицательные заряды) сосредоточены только внутри клетки, так как из-за большой величины не могут проскользнуть через мембрану наружу.
|
|
|
Такая разница концентраций называется концентрационный градиент.Она является движущей силой для диффузии (движения, просачивания) растворённых ионов в область меньшей концентрации. (Соответственно Na+ стремится войти в клетку, где его меньше, а К+ – выйти из нее).
Рис.4. Высокий концентрационный градиент ионов калия и натрия
Диффузия осуществляется через специальные каналы внутри клеточной мембраны – это не просто «дырки» в мембране, а специальные белки, прошивающие мембрану насквозь, внутри них есть поры, заполненные водой, через них и проходят ионы.
Итак, сквозь мембрану должен идти поток ионов согласно концентрационному градиенту.
Но помимо концентрационного градиента ток ионов определяется проницаемостью мембраны, которая изменяется в зависимости от состояния активности клетки. В покое у плазматической мембраны открыты лишь ионные каналы для калия, через которые не могут проходить другие ионы (размеры канала таковы, что пропускают только ионы калия – это пассивный транспорт, без затрат энергии). Эти каналы называют пассивными каналами, иногда – каналами утечки (В.М. Смирнов).
|
|
|
Но это не значит, что через мембрану покоящейся клетки ионы калия могут выходить беспрепятственно. Остающиеся в клетке органические анионы начинают ограничивать выход катионов калия, поскольку между анионами внутренней поверхности мембраны и катионами её наружной поверхности возникает электрическое поле и появляется электростатическое притяжение. Сама же клеточная мембрана оказывается поляризованной: на наружной её поверхности группируются положительные заряды, на внутренней - отрицательные.
Итак, из-за концентрационной разницы (концентрационного градиента) разные ионы «пытаются шастать» в клетки и из нее. Но в покое удается это более-менее только калию. Да и то с ограничением из-за притяжения органических отрицательно заряженных молекул внутри клетки.
Но если калий все выходит и выходит, как вернуть его назад? Да еще после возбуждения (об этом позже) в клетке много лишнего натрия оказывается.
Активный транспорт
Диффузия ионов должна уменьшать концентрационный градиент, но концентрационное равновесие означало бы для клетки гибель. Более 1/3 своих энергетических ресурсов клетка тратит на сохранение ионной асимметрии за счет активного транспорта – натрий-калиевого насоса.
|
|
|
Этот транспорт осуществляет белок клеточной мембраны, прошивающий ее насквозь, который непрерывно выносит из клетки по 3 иона натрия (за цикл) и одновременно закачивает в неё из внешней среды 2 иона калия, используя для этого энергию АТФ.
Суммарным итогом одного цикла работы насоса является удаление одного положительного заряда из клетки (+2 К+ –3Nа+). В результате такой деятельности мембрана становится чуть более отрицательной изнутри.
Производительностьнатрий-калиевого насоса зависит от концентрации в клетке ионов натрия: чем больше она, тем быстрее работает насос.
Рис. 5. Натрий-калиевый насос
Наряду с натрий-калиевым насосом в клеточной мембране существуют специальные насосы для ионов кальция. Они тоже используют энергию АТФ для выноса ионов кальция из клетки, в результате создаётся значительный концентрационный градиент кальция: вне клетки его значительно больше, чем в клетке. Это заставляет ионы кальция постоянно стремиться войти в клетку, но в состоянии покоя клеточная мембрана эти ионы почти не пропускает. Однако порой мембрана раскрывает каналы для этих ионов и тогда они играют очень важную роль в освобождении медиаторов или в активации некоторых ферментов.
|
|
|
Управляемые каналы
(этот вопрос не имеет уже отношения к натрий-калиевому насосу)
Вышеописанные каналы-белки, через пору которых пассивно проходят ионы калия, открыты всегда: и в состоянии покоя, и при возбуждении клетки – они мало зависят от внешних условий. В противоположность этому существуют управляемые ионные каналы, большинство из которых в состоянии покоя клетки закрыты. Их подразделяют на три типа:
1) потенциалзависимые;
2) хемозависимые;
3) управляемые механически.
Потенциалзависимые каналы открываются или закрываются (Это достигается за счет изменения третичной структуры белка, который образует канал) в связи с определёнными изменениями мембранного потенциала. Например, натриевые каналы в состоянии покоя закрыты, но, если мембранный потенциал уменьшится до критического значения, они открываются. Если деполяризация продолжится до положительного значения мембранного потенциала (т.е. на внутренней части мембраны окажется больше положительных зарядов, чем на наружной), то каналы закроются.
Хемозависимые каналы открываются вследствие присоединения нейромедиатора к выступающей наружу рецепторной области канального белка – такой тип каналов используется в синапсах.
Механически управляемые каналы характерны для чувствительных окончаний нейронов, реагирующих на растяжение и давление. Эти каналы особым способом связаны с внутренними мембранами клетки, что и приводит их к открытию при деформации клетки.
Сам момент открытия канала – всего лишь мгновение, длящееся миллионные доли секунды. Но и в открытом состоянии каналы находятся недолго – лишь несколько миллисекунд, после чего стремительно закрываются. Однако пропускная способность открытого канала крайне высока: ток ионов происходит со скоростью до 100 000 000 ионов/с, что можно сравнить только с деятельностью самых «быстрых» ферментов.
Кроме открытого и закрытого состояний каналы могут стать инактивированными: это значит, что они закрыты, но не подчиняются, как обычно, действию механизмов управления и не открываются. Состояние инактивации наблюдается немедленно после закрытия каналов и продолжается несколько мс. Состояние, при котором клетка перестаёт отвечать на возбуждающие её стимулы, называется рефрактерность, т.е. временная невозбудимость.
Ионные каналы имеются в мембране любой клетки организма, но в мышечных и особенно в нервных клетках их плотность намного больше, чем в клетках других тканей. В нейронах, кроме высокой плотности каналов, обнаружено и их большое разнообразие. Это не случайно, поскольку именно каналы определяют условия возникновения электрических сигналов, характер самих сигналов, скорость их проведения и т.п., что позволяет нейронам выполнять свою главную задачу: принимать, перерабатывать и передавать информацию.
Блокаторы ионных каналов
Существует довольно много веществ, способных обратимо или необратимо связываться с молекулами канальных белков и, тем самым, блокировать их. Блокированные каналы чаще всего оказываются закрытыми, хотя в некоторых случаях фиксируется открытое положение канала.
Блокировать каналы способны многие из давно известных ядов животного или растительного происхождения.
Так, например, в организме некоторых рыб содержится тетродотоксин, блокирующий натриевые каналы. Это рыба фугу, унёсшая жизни немалого количества гурманов, а также плавающая в водах залива Петра Великого собака-рыба, способная раздуваться и издавать при этом довольно громкие звуки. Тетродотоксин достаточно давно применяется в экспериментальной практике, связанной с исследованием мембранной проницаемости.
Южноамериканские индейцы готовили отравленные стрелы с помощью другого яда, растительного – это древесный сок кураре, добываемый из некоторых видов лиан. Яд кураре избирательно блокирует хемозависимые каналы нервно-мышечных синапсов.
Вещество искусственного происхождения – тетраэтиламмоний специфически блокирует калиевые каналы; его часто использовали в экспериментальной практике.
А в медицине применяют многие лекарственные вещества, точкой приложения которых являются ионные каналы: с помощью таких веществ можно управлять определёнными ионными каналами и тем самым влиять на активность нейронов.
Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 1150; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!