Мембранный насос это биология – . . . — —

Мембранный насос — это… Что такое Мембранный насос?

Мембранный насос, диафрагменный насос, диафрагмовый насос — объёмный насос, рабочий орган которого — гибкая пластина (диафрагма, мембрана), закреплённая по краям; пластина изгибается под действием рычажного механизма (механический привод) или в результате изменения давления воздуха (пневматический привод) или жидкости (гидравлический привод), выполняя функцию, эквивалентную функции поршня в поршневом насосе.

Применение

Принцип работы

Принцип работы CFD-анимация работы мембранного насоса

Сжатый воздух, проникающий за одну из мембран, заставляет её сжиматься и продвигать жидкость в отверстие выхода. В это время вторая мембрана напротив создаёт вакуум, всасывая жидкость.

После прохождения импульса пневматический коаксиальный обменник меняет направление сжатого воздуха за вторую мембрану и процесс повторяется с другой стороны.

Преимущества мембранных насосов

• Надёжная простая конструкция — отсутствие двигателя и редуктора, нет вращающихся деталей
• В качестве привода — энергия сжатого воздуха, отсутствие искрообразования, абсолютная безопасность при работе с горючими жидкостями
• Компактные размеры и малый вес
• Универсальность применения насосов — перекачка воды, вязких жидкостей, жидкостей с твердыми включениями от 2 мм до 63,5 мм в диаметре
• В насосах нет уплотнений и подшипников — гарантия отсутствия утечек и износа основных деталей
• Простота регулирования производительности от нуля до максимума посредством изменения количества подаваемого воздуха
• Для работы насоса не требуется смазка механизмов и обслуживание
• Давление на выходе до 65 бар
• Высота самовсасывания до 5 метров
• Работа без жидкости не наносит вреда деталям насоса

Недостатки мембранных насосов

• Мембрана при работе значительно изгибается, что приводит к её быстрому разрушению.
• Конструкция мембранного насоса предполагает использование клапанов, которые могут выйти из строя при их загрязнении.

Ссылки

dic.academic.ru

Натрий-калиевый насос | Биология

Натрий-калиевый насос — это один из механизмов активного транспорта через цитоплазматическую мембрану против градиента концентрации.

За один цикл своей работы натрий-калиевый насос переносит три иона натрия (3Na⁺) из клетки и два иона калия (2K⁺) в клетку.

Поскольку из клетки удаляется больше положительных зарядов, то на мембране происходит накопление разности электрических потенциалов (внутреннее содержимое клетки заряжено отрицательно по отношению к внешней среде). Разность потенциалов, в свою очередь, приводит к расщеплению АТФ и высвобождаю энергию. Перекачивание натрия и калия необходимо для сохранения клеточного объема (осморегуляция), поддержания электрической активности в нервных и мышечных клетках, для активного транспорта сахаров, аминокислот и др. Калий в клетке требуется для белкового синтеза, гликолиза, фотосинтеза и др.

Натрий-калиевый насос по-сути представляет собой фермент, расщепляющий АТФ. Фермент называется натрий-калий-зависимая аденозинтрифосфатаза (Na⁺/K⁺-АТФ-аза). Он находится в мембранах (представляет собой интегральный белок) и начинает работать, когда повышается концентрация ионов натрия внутри клети или ионов калия снаружи.

Насос действует по принципу открывающихся и закрывающихся каналов. Когда белок связывается с ионами натрия, то это нарушает его водородные связи и приводит к изменению формы. Образуется узкая внутренняя полость, через которую выходят наружу ионы натрия, а ионы калия протиснуться наружу не могут. Выход ионов натрия снова изменяет конформацию фермента, в результате чего открывается другой канал, через который в клетку могут попасть ионы калия.

Расщепление АТФ происходит после связывания ионов натрия. Выделяющаяся энергия расходуется на изменение конформации фермента для выхода Na

+.

biology.su

БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ

8

БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ

Градиент концентрации (от лат. gradi, gradu, gradus — ход, движение, течение, приближение; con — с, вместе, совместно + centrum — центр) или концентрационный градиент — это векторная физическая величина, характеризующая величину и направление наибольшего изменения концентрации какого-либо вещества в среде. Например, если рассмотреть две области с различной концентрацией какого-либо вещества, разделенные полупроницаемой мембраной, то градиент концентрации будет направлен из области меньшей концентрации вещества в область с большей его концентрацией.

Активный транспорт — перенос вещества через клеточную или внутриклеточную мембрану (трансмембранный А.т.) или через слой клеток (трансцеллюлярный А.т.), протекающий против градиента концентрации из области низкой концентрации в область высокой, т. е. с затратой свободной энергии организма. В большинстве случаев, но не всегда, источником энергии служит энергия макроэргических связей АТФ.

Различные транспортные АТФазы, локализованные в клеточных мембранах и участвующие в механизмах переноса веществ, являются основным элементом молекулярных устройств — насосов, обеспечивающих избирательное поглощение и откачивание определенных веществ (например, электролитов) клеткой. Активный специфический транспорт неэлектролитов (молекулярный транспорт) реализуется с помощью нескольких типов молекулярных машин — насосов и переносчиков. Транспорт неэлектролитов (моносахаридов, аминокислот и других мономеров) может сопрягаться с

симпортом — транспортом другого вещества, движение которого против градиента концентрации является источником энергии для первого процесса. Симпорт может обеспечиваться ионными градиентами (например, натрия) без непосредственного участия АТФ.

Пассивный транспорт — перенос веществ по градиенту концентрации из области высокой концентрации в область низкой, без затрат энергии (например, диффузия, осмос). Диффузия — пассивное перемещение вещества из участка большей концентрации к участку меньшей концентрации. Осмос — пассивное перемещение некоторых веществ через полупроницаемую мембрану (обычно мелкие молекулы проходят, крупные не проходят).

Существует три типа проникновения веществ в клетку через мембраны: простая диффузия, облегчённая диффузия, активный транспорт.

Простая диффузия

При простой диффузии частицы вещества перемещаются сквозь билипидный слой. Направление простой диффузии определяется только разностью концентраций вещества по обеим сторонам мембраны. Путём простой диффузии в клетку проникают

гидрофобные вещества (O2,N2,бензол) и полярные маленькие молекулы (CO₂, H₂O, мочевина). Не проникают полярные относительно крупные молекулы (аминокислоты, моносахариды), заряженные частицы (ионы) и макромолекулы (ДНК, белки).

Облегченная диффузия

Большинство веществ переносится через мембрану с помощью погружённых в неё транспортных белков (белков-переносчиков). Все транспортные белки образуют непрерывный белковый проход через мембрану. С помощью белков-переносчиков осуществляется как пассивный, так и активный транспорт веществ. Полярные вещества (аминокислоты, моносахариды), заряженные частицы (ионы) проходят через мембраны с помощью облегченной диффузии, при участии белков-каналов или белков-переносчиков. Участие белков-переносчиков обеспечивает более высокую скорость облегченной диффузии по сравнению с простой пассивной диффузией. Скорость облегченной диффузии зависит от ряда причин: от трансмембранного концентрационного градиента переносимого вещества, от количества переносчика, который связывается с переносимым веществом, от скорости связывания вещества переносчиком на одной поверхности мембраны (например, на наружной), от скорости конформационных изменений в молекуле переносчика, в результате которых вещество переносится через мембрану и высвобождается на другой стороне мембраны. Облегченная диффузия не требует специальных энергетических затрат за счет гидролиза АТФ. Эта особенность отличает облегченную диффузию от активного трансмембранного транспорта.

Белки-переносчики

Белки-переносчики — это трансмембранные белки, которые специфически связывают молекулу транспортируемого вещества и, изменяя конформацию, осуществляют перенос молекулы через липидный слой мембраны. В белках-переносчиках всех типов имеются определенные участки связывания для транспортируемой молекулы. Они могут обеспечивать как пассивный, так и активный мембранный транспорт.

Все живые клетки отделены от окружающей среды поверхностью называемой клеточной мембраной. Кроме того, для эукариотов характерно образование внутри клеток нескольких компартментов. Они представлены рядом субклеточных органелл, ограниченных мембранами, например, ядро и митохондрии. Мембраны представляют собой не только статически организованные поверхности раздела, но и включают активные биохимические системы, отвечающие за такие процессы, как избирательный транспорт веществ внутрь и наружу клетки, связывание гормонов и других регуляторных молекул, протекание ферментативных реакций, передача импульсов нервной системы и т.д. Существуют различные типы мембран, отличающиеся по выполняемым функциям. Функции мембран обусловлены их строением.

Функции мембран

Химический состав

Мембраны состоят из липидных и белковых молекул, относительное количество которых варьирует (от 1/5 — белок + 4/5 — липиды до 3/4 — белок + 1/4 – липиды) у разных мембран. Углеводы содержатся в форме гликопротеинов, гликолипидов и составляют 0,5-10% вещества мембраны.

Липиды мембран

Основная часть липидов в мембранах представлена фосфолипидами, гликолипидами и холестерином. Строение этих липидов представлено на рисунке:

Строение липидов мембран

Липиды мембран имеют в структуре две различные части: неполярный гидрофобный «хвост» и полярную гидрофильную «голову». Такую двойственную природу соединений называют амфифильной. Липиды мембран образуют двухслойную структуру. Каждый слой состоит из сложных липидов, расположенных таким образом, что неполярные гидрофобные «хвосты» молекул находятся в тесном контакте друг с другом. Так же контактируют гидрофильные части молекул. Все взаимодействия имеют нековалентный характер. Два монослоя ориентируются «хвост к хвосту» так, что образующаяся структура двойного слоя имеет внутреннюю неполярную часть и две полярные поверхности. Белки мембран включены в липидный двойной слой двумя способами:

1. связаны с гидрофильной поверхностью липидного бислоя — поверхностные мембранные белки

2. погружены в гидрофобную область бислоя — интегральные мембранные белки.

Поверхностные белки своими гидрофильными радикалами аминокислот связаны нековалентными связями с гидрофильными группами липидного бислоя. Интегральные белки различаются по степени погруженности в гидрофобную часть бислоя. Они могут располагаться по обеим сторонам мембраны и либо частично погружаются в мембрану, либо прошивают мембрану насквозь. Погруженная часть интегральных белков содержит большое количество аминокислот с гидрофобными радикалами, которые обеспечивают гидрофобное взаимодействие с липидами мембран. Гидрофобные взаимодействия поддерживают определенную ориентацию белков в мембране. Гидрофильная выступающая часть белка не может переместиться в гидрофобный слой. Часть мембранных белков ковалентно связаны с моносахаридными остатками или олигосахаридными цепями и представляют собой гликопротеины. Примеры расположения белков и липидов в мембране представлены на рисунке:

Структура плазматической мембраны

Асимметрия мембран

Хотя каждый монослой образован из липидов, ориентированных одинаковым образом, тем не менее, липидный состав монослоев различен. Например, в плазматической мембране эритроцитов фосфатидилхолины преобладают в наружном слое, а фосфатидилсерины во внутреннем слое мембраны. Углеводные части белков и липидов располагаются на наружной части мембраны. Кроме того, поверхности мембраны отличаются по составу белков. Степень такой асимметрии мембран различна у разных типов мембран и может меняться в процессе жизнедеятельности клетки и ее старения. Подвижность (жесткость) и текучесть мембран также зависят от ее состава. Повышенная жесткость обуславливается увеличением соотношения насыщенных и ненасыщенных жирных кислот, а также холестерина. Физические свойства мембран зависят от расположения белков в липидном слое. Липиды мембран способны к диффузии в пределах слоя параллельно поверхности мембраны (латеральная диффузия). Белки тоже способны к латеральной диффузии. Поперечная диффузия в мембранах сильно ограничена.

Мембранный транспорт

Транспорт веществ внутрь и наружу клетки, а также между цитоплазмой и различными субклеточными органеллами (митохондриями, ядром и т.д.) обеспечивается мембранами. Если бы мембраны были глухим барьером, то внутриклеточное пространство оказалось бы недоступным для питательных веществ, а продукты жизнедеятельности не могли бы быть удалены из клетки. В то же время при полной проницаемости было бы невозможно накопление определенных веществ в клетке. Транспортные свойства мембраны характеризуются полупроницаемостью: некоторые соединения могут проникать через нее, а другие — нет:

Проницаемость мембран для различных веществ

Одна из главных функций мембран — регуляция переноса веществ. Существуют два способа переноса веществ через мембрану: пассивный и активный транспорт:

Транспорт веществ через мембраны

Пассивный транспорт. Если вещество движется через мембрану из области с высокой концентрацией в сторону низкой концентрации (т.е. по градиенту концентрации этого вещества) без затраты клеткой энергии, то такой транспорт называется пассивным, или диффузией. Различают два типа диффузии: простую и облегченную.

Простая диффузия характерна для небольших нейтральных молекул (H₂O, CO₂, O₂), а также гидрофобных низкомолекулярных органических веществ. Эти молекулы могут проходить без какого-либо взаимодействия с мембранными белками через поры или каналы мембраны до тех пор, пока будет сохраняться градиент концентрации.

Облегченная диффузия. Характерна для гидрофильных молекул, которые переносятся через мембрану также по градиенту концентрации, но с помощью специальных мембранных белков — переносчиков. Для облегченной диффузии, в отличие от простой, характерна высокая избирательность, так как белок переносчик имеет центр связывания комплементарный транспортируемому веществу, и перенос сопровождается конформационными изменениями белка. Один из возможных механизмов облегченной диффузии может быть следующим: транспортный белок (транслоказа) связывает вещество, затем сближается с противоположной стороной мембраны, освобождает это вещество, принимает исходную конформацию и вновь готов выполнять транспортную функцию. Мало известно о том, как осуществляется передвижение самого белка. Другой возможный механизм переноса предполагает участие нескольких белков-переносчиков. В этом случае первоначально связанное соединение само переходит от одного белка к другому, последовательно связываясь то с одним, то с другим белком, пока не окажется на противоположной стороне мембраны.

Активный транспорт имеет место в том случае, когда перенос осуществляется против градиента концентрации. Такой перенос требует затраты энергии клеткой. Активный транспорт служит для накопления веществ внутри клетки. Источником энергии часто является АТР. Для активного транспорта кроме источника энергии необходимо участие мембранных белков. Одна из активных транспортных систем в клетке животных отвечает за перенос ионов Na⁺ и K⁺ через клеточную мембрану. Эта система называется Na⁺ — K⁺ — насос. Она отвечает за поддержание состава внутриклеточной среды, в которой концентрация К⁺ выше, чем Na⁺ :

Механизм действия Na⁺, K⁺-АТР-азы

Градиент концентрации калия и натрия поддерживается путем переноса К⁺ внутрь клетки, а Na⁺ наружу. Оба транспорта происходят против градиента концентрации. Такое распределение ионов определяет содержание воды в клетках, возбудимость нервных клеток и клеток мышц и другие свойства нормальных клеток. Na⁺ ,K⁺ -насос представляет собой белок — транспортную АТР-азу. Молекула этого фермента является олигомером и пронизывает мембрану. За полный цикл работы насоса из клетки в межклеточное вещество переносится три иона Na⁺, а в обратном направлении — два иона К⁺. При этом используется энергия молекулы АТР. Существуют транспортные системы для переноса ионов кальция (Са²⁺ — АТР-азы), протонные насосы (Н⁺ — АТР-азы) и др. Симпорт это активный перенос вещества через мембрану, осуществляемый за счет энергии градиента концентрации другого вещества. Транспортная АТР-аза в этом случае имеет центры связывания для обоих веществ. Антипорт — это перемещение вещества против градиента своей концентрации. При этом другое вещество движется в противоположном направлении по градиенту своей концентрации. Симпорт и антипорт могут происходить при всасывании аминокислот из кишечника и реабсорбции глюкозы из первичной мочи. При этом используется энергия градиента концентрации ионов Na⁺, создаваемого Na⁺, K⁺-АТР-азой.

studfiles.net

БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАСОСЫ

Количество просмотров публикации БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАСОСЫ — 174

Лекция № 14

Термин ʼʼбиологические насосыʼʼ закрепился в литературе с XIX в. Он появился еще до возникновения взгляда на биомембрану как важнейший функциональный компонент клетки. Вначале под биологическими насосами понимали какие-то неизвестные механизмы, которые обеспечивают массоперенос в организме вопреки элементарным законам физики и химии.

В серединœе XIX в. после блистательных успехов физико-химического изучения жизнедеятельности появились факты, свидетельствующие о том, что всасывание веществ в пищеварительном тракте, мочеобразование и лимфоотделœение только отчасти сводятся к процессам фильтрации и диффузии.

Позднее ученые разобрались во многих недоразумениях примитивного приложения законов физики и химии к объяснению явлений жизни. При этом термин ʼʼбиологические насосыʼʼ продолжает жить в биологии. В последние годы с ними зачастую отождествляют ионные насосы − системы активного транспорта Na⁺, К⁺, Са²⁺, Н⁺ (натрий-калиевую, кальциевую, протонную помпы).

Активный транспорт.Активным транспортом называют трансмембранный перенос веществ в направлении, противоположном транспорту, который должен был бы происходить под действием физико-химических градиентов (прежде всœего концентрационного и электрического). Он направлен в сторону более высокого электрохимического потенциала и необходим как для накопления в клетках (или определœенных органоидах) веществ, в которых они нуждаются, даже из среды с их низкой концентрацией, так и для выведения из клеток (органоидов) тех агентов, содержание которых там должно поддерживаться на низком уровне, даже при повышении его в окружающей среде.

Свойства систем активного транспорта.Из определœения активного транспорта следует, что его важнейшим свойством является перенос веществ вопреки действию физико-химических градиентов (вопреки электродиффузионному уравнению Нернста−Планка), т. е. в сторону более высокого электрохимического потенциала благодаря термодинамическому сопряжению концентрационного и электрического градиентов с расходованием свободной энергии организма. По этой причине система уравнений переноса выглядит так:

(48)

Химический потенциал (μ_х) количественно характеризует вклад ферментативных реакций в свободную энергию биомембраны, необходимую для преодоления сопряженного действия концентрационного и электрического градиентов. В случае если изменения свободной энергии клетки, обеспечивающие активный транспорт через мембрану, обусловлены макроэргами (АТФ), то в этих уравнениях: v − число молей АТФ, затраченных на массоперенос, а μ_х равен приросту свободной энергии клетки при гидролизе 1 моля АТФ (в стандартных условиях это составляет 31,4 кДж · моль^-1).

Сказанное позволяет сформулировать второе характерное свойство систем активного транспорта − крайне важно сть энергетического обеспечения за счёт свободной энергии, выделяющейся либо непосредственно в ходе окислительно-восстановительных реакций (речь идет о так называемой редокс-помпе), либо при гидролизе макроэргов, синтезированных впрок при тех же реакциях. Необходимо подчеркнуть, что свободная энергия, обеспечивающая активный транспорт, черпается биомембранами в ходе химических процессов, связанных непосредственно с переносом веществ через них, т. е. из химических реакций, в которых участвуют сами мембранные компоненты систем активного транспорта. В этом состоит коренное отличие активного транспорта от других способов транспорта веществ через БМ, также нуждающихся в затратах свободной энергии.

Свободная энергия (∆G), затрачиваемая на трансмембранный перенос одного моля вещества в направлении более высокого электрохимического потенциала,

рассчитывается по формуле:

(49)

У человека в покое примерно 30-40% всœей энергии, образующейся в ходе метаболических процессов, расходуется на активный транспорт. В некоторых случаях на его обеспечение может затрачиваться почти вся свободная энергия, вырабатываемая клеткой. Ткани, в которых активный транспорт особенно интенсивен, потребляют много кислорода даже в покое. К примеру, масса мозга человека составляет только ¹/₅₀ массы тела, но в условиях мышечного покоя ткани мозга поглощают около ¹/₅всœего кислорода, усвоенного организмом. Общая мощность всœех ионных насосов человеческого мозга − примерно 1 Вт. Почки при угнетении в них активного транспорта ионов снижают свою потребность в кислороде на 70−80%.

Третье свойство систем активного транспорта состоит в их специфичности: каждая из них обеспечивает перенос через БМ только данного вещества (или группы их) и не переносит другие. Правда, активный транспорт ионов натрия бывает сопряжен с пассивным переносом в том же направлении других веществ (к примеру, глюкозы, некоторых аминокислот и т. д.). Это явление называют симпортом. Некоторые системы активного транспорта переносят одно вещество в данном направлении, а другое − в противоположном. Так, калий-натриевая помпа закачивает калий из межклеточной среды в цитоплазму и откачивает натрий из клетки. Такой вид транспорта называют антипортом.

Когда эти ионы начинают перемещаться через БМ в направлении более низкого электрохимического потенциала, то натрий-калиевая помпа становится генератором АТФ. Это явление получило название эффекта обращения систем активного транспорта: на перекачивание ионов в сторону более высокого электрохимического потенциала насосы затрачивают свободную энергию, гидролизуя АТФ, тогда как при движении ионов в противоположном направлении они преобразуют энергию градиентов в энергию макроэргической связи АТФ, синтезируя его из АДФ. Специфичность систем активного транспорта служит одним из самых действенных механизмов селœективной проницаемости клеточных мембран и придания им векторных свойств.

Компоненты систем активного транспорта.В составе любой системы активного транспорта веществ через БМ можно выделить три базовых компонента: источник свободной энергии, переносчик данного вещества, сопрягающий (регуляторный) фактор.
Размещено на реф.рф
Последний сопрягает работу переносчика с источником энергии. Все компоненты систем активного транспорта образуют сложный молекулярный комплекс в клеточной мембране.

В большинстве известных систем активного транспорта непосредственным источником свободной энергии служит АТФ. За счёт присоединœения его концевой фосфатной группы, предварительно оторванной при гидролизе, к мембранному переносчику последний фосфорилируется и приобретает дополнительную энергию, достаточную для преодоления физико-химических градиентов, препятствующих движению переносимого вещества. Следовательно, фосфорилированный комплекс переносчика с транспортируемым веществом способен преодолеть потенциальный барьер, неприступный для него до фосфорилирования. Отдавая перенесенное вещество на противоположной стороне БМ, молекулы переносчика дефосфорилируются и теряют энергию.

Реже свободная энергия черпается системами активного транспорта непосредственно из окислительно-восстановительных реакций, т. е. из цепи переноса электронов. Систему активного транспорта с таким источником энергии называют редокс-помпой. Примером может служить перенос Н⁺-ионов через внутреннюю мембрану митохондрии, обеспечивающий создание протондвижущей силы, при клеточном дыхании.

О переносчиках, обеспечивающих активный транспорт, известно пока немногое. По-видимому, в разных системах активного транспорта работа переносчиков осуществляется посредством различных механизмов. В первую очередь, переносчиками бывают сравнительно мелкие белковые молекулы, присутствующие в БМ. В этом случае молекула переносчика, приняв транспортируемое вещество, проходит всю толщу биомембраны, работая по типу малой или большой карусели. Во-вторых, переносчиками могут служить крупные молекулы мембранных белков, насквозь пронизывающие фосфолипидный бислой. Им, вероятно, свойственны такие механизмы, как ротация или сдвиг.

Третий компонент системы активного транспорта обеспечивает сопряжение работы переносчика с источником энергии. Такое сопряжение может заключаться в переносœе фосфатной группы с АТФ на переносчик. Чтобы фосфорилировать переносчик, нужно прежде гидролизовать АТФ. Гидролиз АТФ достаточно эффективен только в присутствии специальных ферментов, называемых АТФазами. Οʜᴎ-то и служат фактором, сопрягающим работу переносчика с источником энергии в базовых системах активного транспорта (натрий-калиевой и кальциевой помпах). Название этой ферментной системы употреблено во множественном числе не случайно. Для активного транспорта каждого вещества в тех случаях, когда источником энергии является АТФ, обнаружена специфическая АТФаза. Каждая из транспортных АТФаз активируется именно тем веществом, чей активный транспорт она обеспечивает. К примеру, Са-активируемая АТФаза переходит в активное состояние только тогда, когда концентрация Са²⁺ в примембранном пространстве достигает определœенного уровня, при котором необходим активный транспорт этого иона.

Все транспортные АТФазы связаны с клеточными мембранами и проявляют высокую специфичность, катализируя реакции, течение которых строго зависит от направления подхода к БМ транспортируемых веществ. Так, Na-K-активируемая АТФаза приобретает активность при взаимодействии с нею натрия внутри клетки, а калия − снаружи. Она не активируется при самых значительных концентрациях натрия в межклеточной среде и калия − в цитозоле.

Зависимость потока (Ф) переносимого вещества через клеточную мембрану от его концентраций по обе ее стороны (Сi и С_е) при участии транспортной АТФазы описывается уравнением:

(50)

где С_А − концентрация АТФазы в биомембране, р − проницаемость мембраны для комплекса ʼʼпереносимое вещество − ферментʼʼ, k_iи k_e − константы диссоциации этого комплекса на внутренней и наружной поверхностях БМ.

В клеточной мембране постоянно присутствуют и переносчики, и транспортные АТФазы, в примембранном пространстве клетки находится АТФ, выходящий из митохондрии, которые подтягиваются к местам активного транспорта. При этом вся система не работает до появления определœенного стимула, которым обычно служит нарастание концентрации вещества, подлежащего активному транспорту. Это вещество активирует специфическую АТФазу, которая, в свою очередь, катализирует гидролиз АТФ с отщеплением концевой фосфатной группы. Присоединяясь к переносчику, она фосфорилирует его. При фосфорилировании переносчик приобретает дополнительную свободную энергию, необходимую и достаточную для трансмембранного переноса вещества вопреки действию физико-химических градиентов.

Так, внутри клетки повышение содержания Na⁺ выше определœенного уровня активирует Na-K-активируемую АТФазу, а она − реакцию гидролиза АТФ:

Системы активного транспорта ионов.Системы активного транспорта ионов (ионные насосы, ионные помпы) обеспечивают неравновесное распределœение этих агентов между клеткой и межклеточной средой, а также среди различных органоидов. Постоянство ионного состава (изоиония) цитозоля и содержимого органоидов является необходимым условием поддержания жизни. Ионы входят в состав всœех биологически важных молекул, регулируют эффективность обмена веществ. Все превращения энергии, включая образование и использование макроэргов, контролируются ионами. В организме они составляют сложные тонко сбалансированные внутриклеточную и внеклеточную ионные системы. Малейшее их нарушение неизбежно приводит к нарушению жизнедеятельности. К примеру, весь клеточный метаболизм чрезвычайно чувствителœен к изменению содержания Na⁺ в цитозоле. При его повышении угнетается синтез белка и усиливается образование липидов. При сохранении высокой концентрации Na⁺ в цитозоле в течение длительного времени синтез белка также усиливается. Следовательно, ионы натрия выступают в роли регулятора метаболиче­ской активности клетки. Подобная функция присуща и другим ионам.

Изменение содержания в цитозоле водорода, калия, кальция, магния и других катионов сигнализируют ее метаболическим системам о малейших нарушениях клеточной целостности, которая достигается относительной обособленностью химического состава клетки при наличии многообразных связей со средой ее обитания.

В организме человека 50% ионов натрия содержится в межклеточной среде (интерстиции), 40% − вкостях и только 10% − внутри клеток. В интерстиции натрию сопутствуют анионы хлора и бикарбоната͵ концентрации которых там значительно выше, чем в цитозоле. В отличие от этих ионов, а также кальция, катионы калия и магния сосредоточены преимущественно внутри клеток. Из 160 г ионизированного калия, входящего в состав тела человека среднего роста и массы, только 3 г приходится на межклеточную среду. В цитозоле Са²⁺ присутствует в ничтожной концентрации (около 10^-8 моль · л^-1) даже в мышечных волокнах, где его содержание довольно велико, но там он сосредоточен не в цитозоле, а в цистернах саркоплазматической сети, мембрана которой в несокращающихся мышцах служит непреодолимым препятствием для перемещения этого иона.

Стабильное поддержание ионного неравновесия, а также перемещение ионов через клеточные мембраны в сторону более высокого электрохимического потенциала для осуществления многих физиологических процессов обеспечивается работой ионных насосов.

Калий-натриевый насос.Только благодаря системе активного транспорта Na⁺ и К⁺ поддерживаются стабильные и весьма высокие градиенты концентраций этих ионов на плазмолемме любой клетки. Разница в их молярных концентрациях

между цитозолем и интерстицием достигает 10−20, причем калия больше в цито-золе, а натрия − в межклеточной среде. Под действием концентрационных градиентов К⁺ выходит из клетки, a Na⁺ входит в нее. Пассивный транспорт привел бы к ликвидации ионного неравновесия, но этому мешает работа калий-натриевого насоса. Он беспрестанно откачивает натрий из цитозоля в интерстиций и закачивает К⁺ в клетку. Установлено, к примеру, что через каждый 1 см² плазмолеммы нервного волокна кальмара ежесекундно проходит 10¹⁰ ионов натрия, на что расходуется пятая часть всœей свободной энергии, образующейся у кальмара за счёт клеточного дыхания. Следовательно, калий-натриевый насос − весьма энергоемкая система. Энергия затрачивается на антипорт натрия и калия.

Компонентами калий-натриевой помпы являются АТФ (источник энергии) и натрий-калий-активируемая АТФаза (сокращенно − Na-K-АТФаза), которая служит одновременно и сопрягающим фактором, и переносчиком. Этот фермент был открыт в 1957 ᴦ. при исследовании активного транспорта натрия через мембраны нерва краба, и с тех пор о Na-K-АТФазе получено сведений больше, чем обо всœех мембранных транспортных системах вместе взятых. Созданы антитела к ней.

В состав наиболее высокоочищенных препаратов Na-K-АТФазы, выделœенной из почки собаки, входят два главных полипептида. Первый из них − интегральный протеин с неполярными боковыми цепями − имеет молекулярную массу около 135 кДа и, по-видимому, насквозь пронизывает биомембрану. Второй полипептид является сиалогликопротеидом с молекулярной массой 40 кДа. Им образованы активные центры, с которыми вступают во взаимодействие переносимые ионы. Na-K-АТФаза не активна в отсутствие ионов магния, не работает без липидов. Ее активность зависит также от рН вблизи активного центра, на котором адсорбируются ионы натрия. С АТФ взаимодействует высокомолекулярный полипептид, при фосфорилировании которого вся молекула фермента претерпевает механохимические превращения. По приблизительным оценкам, они могут обеспечить как сдвиг подвижных групп молекулы АТФазы относительно ее неподвижной структуры, так и ротацию всœей молекулы в биомембране.

Молекулярный механизм использования энергии АТФ для работы калий-натриевого насоса еще не вскрыт. В самом общем виде его сформулировал Д. Скоу в 1957 ᴦ. Он предполагал, что на внутренней стороне БМ находятся молекулярные комплексы, способные фосфорилироваться за счёт присоединœения кон-цевой фосфатной группы АТФ, отщепляющейся при его гидролизе. Фосфорили-рованный транспортный комплекс переносит связанный с ним Na⁺ на наружную сторону клеточной мембраны, где обменивает его на К⁺. Приняв ионы калия, он транспортирует их внутрь клетки, после чего дефосфорилируется. Важно заметить, что для следующего транспортного цикла ему крайне важно новое фосфорилирование за счёт гидролиза АТФ. С тех пор как были высказаны общие положения о работе калий-натриевого насоса, появилось много гипотез, конкретизирующих участие в ней Na-K-АТФазы. Ни одна из них не является общепринятой, но всœе модели активного транспорта натрия и калия предусматривают конформационные превращения транспортной АТФазы, сопровождающиеся ее перемещениями в пространстве биомембраны. Некоторые исследователи полагают, будто калий-натриевая помпа действует по принципу перистальтического насоса, который попеременно открывает и закрывает натриевые и калиевые каналы, расположенные в БМ по сосœедству с Na-K-АТФазой. Ее конформационные перестройки, обусловленные чередованием фосфорилирования и дефосфорилирования, вызывают изменение проницаемости ионных каналов, работающих в противофазе: когда натриевый канал открыт, калиевый − закрыт, и наоборот. Согласно этой гипотезе, Na-K-АТФаза служит не переносчиком ионов, а своеобразным клапаном в ионных каналах.

Другая гипотетическая схема действия калий-натриевой помпы изображена на рис. 52.

Рис. 52. Схема работы натрий-калиевого насоса: а − состояние до транслокации ионов; б − состояние после транслокации ионов.

Она предполагает, что транспортная АТФаза работает как переносчик. Молекула фермента пронизывает плазмолемму, контактируя одним полюсом с цитоплазмой, а другим − с межклеточной средой. В примембранных участках цитоплазмы скапливаются митохондрии, из которых выходят молекулы АТФ, вступая в непосредственный контакт с мембраной и, следовательно, с Na-K-АТФазой. Содержание ионов натрия в цитоплазме поддерживается на строго постоянном уровне. Так, в нервном волокне кальмара концентрация Na⁺ составляет 50 ммоль · л^-1, а в интерстиции − 450 ммоль · л^-1. Концентрационный градиент на мембране волокна достигает 4 · 10¹³ моль · л^-1 · м^-1. Он заставляет ионы натрия диффундировать внутрь волокна. Этому же способствует и электрический градиент, обусловленный существованием трансмембранной разности потенциалов, причем цитоплазма несет отрицательный потенциал относительно интерстиция.

В случае если вследствие пассивного транспорта ионы натрия войдут в цитоплазму и их содержание там превысит 50 ммоль · л^-1, то они адсорбируются на Na-K-АТФазе и переведут ее в активное состояние. Активированная АТФаза катализирует гидролиз АТФ, благодаря чему от АТФ отщепляется концевая фосфатная группа, которая связывается с 3-карбоксильной группой L-аспарагиновой кислоты, входящей в состав Na-K-АТФазы, и переносит на нее свободную энергию. Фосфорилированная и энергизованная молекула фермента претерпевает конформационную перестройку следствием чего будут ротация или сдвиг ее в плазмолемме. Перемещения в мембране АТФазы вместе с адсорбированными на ней ионами натрия обеспечивают перенос их из цитоплазмы наружу − в сторону более высокого электрохимического потенциала. Оказавшись на внешней стороне плазмолеммы, Ма⁺ покидает транспортную АТФазу, которая после конформационной перестройки дефосфорилируется. Из межклеточной среды на нее адсорбируются ионы калия, а дефосфорилированная АТФаза приобретает исходную конформацию, вследствие чего ее внешние участки с находящимся там К⁺ поворачиваются к цитоплазме. Таким образом ионы калия переносятся из интерстиция внутрь клетки тоже вопреки действию концентрационного градиента. Отдав К⁺ цитоплазме, транспортная АТФаза готова к новому циклу работы, но для этого она должна быть снова фосфорилирована.

Na-K-АТФаза активируется и натрием, и калием, но проявляет при этом ярко выраженную векторность: натрий действует на нее только со стороны цитоплазмы, а калий − из межклеточной среды (рис. 53). Вместе с тем ее специфичность по отношению к натрию выше, чем к калию. Для включения в действие Na-K-АТФазы натрий незаменим, тогда как вместо калия можно использовать любой одновалентный катион, причем с рубидием транспортная система функционирует даже лучше, чем с калием. По-видимому, для фермента характерны разные механизмы распознавания натрия на цитоплазматической стороне плазмолеммы и других катионов на ее наружной поверхности.

Установлено, что за счёт гидролиза одной молекулы АТФ осуществляется активный транспорт трех ионов натрия и двух ионов калия, т. е. их сопряженному трансмембранному переносу (антипорту) свойственна стехиометрия. Она сохраняется независимо от величины и направления концентрационного и электрического градиентов.

Рис. 53. Зависимость активации Na-K-активируемой АТФазы от концентрации Na⁺ в цитоплазме и К⁺ во внеклеточной среде; активность АТФазы выражена фосфатом (в мкмоль), высвободившимся за 1 ч (на 1 мг белка)

Стехиометрией обусловлены электрогенные свойства калий-натриевого насоса. Перенося 2К⁺ внутрь клетки и выводя из нее 3Na⁺, он создает небольшую разность потенциалов на плазмолемме, причем цитоплазма приобретает отрицательный потенциал относительно интерстиция. Электрогенность ионного насоса подтверждена в эксперименте на искусственных мембранах. Очищенный препарат Na-K-АТФазы, встроенный в липидный бислой, вызывает появление электрического тока через искусственную мембрану. Ток прекращается при добавлении в раствор, омывающий мембрану, специфического ингибитора этого фермента.

В опытах на липидных мембранах, инкрустированных Na-K-АТФазой, установлен также эффект обращения действия ионного насоса. Он состоит в том, что при трансмембранном переносœе Na⁺ и К+ в направлении низких электрохимических потенциалов каждого из этих ионов АТФаза начинает работать в качестве АТФ-синтетазы, т. е. катализировать не гидролиз АТФ, а его синтез из АДФ и ортофосфата. В этом случае калий-натриевый насос служит генератором свободной энергии (в форме АТФ).

Калий-натриевый насос присутствует в плазматических мембранах почти всœех клеток животных организмов, но в разных клетках его активность неодинакова. В плазмолемме человеческого эритроцита выявлено от 100 до 300 таких молекулярных ʼʼнасосиковʼʼ, а в мембранах почечных эпителиоцитов их примерно на три порядка больше. Содержание Na-K-АТФазы в эритроцитарной мембране не достигает и одного процента общего белка, тогда как в мембранах почечных клеток − более 10%, а в электрическом органе рыб − еще выше.

Очень высока концентрация этого фермента в клетках солевой желœезы альбатроса. Пожалуй, ни одна птица не может улетать от берега так далеко, как альбатрос, и столь дальние полеты над морем доступны ему только благодаря способности пить морскую воду. В клетках специального органа происходит ее опреснение за счёт работы мощного калий-натриевого насоса, локализованного в плазматических мембранах. Лишняя соль выбрасывается из солевой желœезы в море. Значительна роль калий-натриевой помпы кожи лягушки в жизни этого животного, вышедшего из водной среды на сушу. Она перекачивает ионы натрия из окружающей среды в межклеточную жидкость лягушки даже тогда, когда концентрация натрия в пресном водоеме на четыре порядка ниже, чем в интерстиции животного.

Учитывая многообразие физиологических процессов, обеспечиваемых работой калий-натриевого насоса, можно думать, что существуют разные формы этой транспортной системы в различных органах и у разных представителœей животного мира. Полагают, к примеру, что в почках млекопитающих наряду с системой активного антипорта натрия и калия присутствует другой натриевый насос, обеспечивающий симпорт натрия и хлора.

Калий-натриевый насос угнетается различными агентами, из которых наиболее активны сердечные гликозиды, избыток Са⁺ внутри клетки, а также дыхательные яды. Последние блокируют окислительное фосфорилирование в митохондриях и, нарушая синтез АТФ, лишают ионный насос источника энергии.

Кальциевый насособеспечивает стабильно низкий уровень Са²⁺ в цитозоле.

В отличие от калий-натриевого насоса, он выводит из цитозоля избыток ионов не в межклеточную среду, а в органоиды (главным образом, в эндоплазматическую сеть). По этой причине основная локализация кальциевого насоса в большинстве типов клеток − внутриклеточные мембраны, а не плазмолемма. Детальные исследования кальциевой помпы проведены в мембране саркоплазматической сети миоцитов скелœетных мышц, где ее активность особенно высока.

Источником энергии для системы активного транспорта кальция служит АТФ. Вторым компонентом насоса является Са²⁺-активируемая АТФаза (сокращенно − Са-АТФаза). Она состоит из одной полипептидной цепи с молекулярной массой около 100 кДа. В ней преобладают аминокислотные остатки с неполярными боковыми цепями. Это липидзависимый фермент, причем вокруг каждой его молекулы находится примерно 35 молекул фосфолипидов, содержащих ненасыщенные жирнокислотные остатки. Особенно сильным активирующим действием обладают жирные кислоты с одной ненасыщенной связью. Вместе с тем, для работы Са-АТФазы необходимы ионы магния.

В саркоплазматической сети на долю Са-АТФазы приходится 60% общего мембранного белка. По-видимому, в мембране саркоплазматической сети нет другого интегрального белка, кроме Са-АТФазы. Остальные 40% мембранных протеинов составляют периферические белки. На активный транспорт двух молей Са²⁺ затрачивается один моль АТФ, но при преодолении очень высоких физико-химических градиентов соотношение Са²⁺ и АТФ снижается с 2:1 до 1:1.

Механизм действия кальциевой помпы установлен благодаря изучению кинœетики ее работы. В этом процессе выделяют три ступени (этапа).

1). Сигналом к активному транспорту служит превышение допустимого уровня Са²⁺ в цитозоле. Показано, что константа связывания ионов кальция Са-АТФазой имеет порядок 10⁷ л · моль^-1, т. е. адсорбция кальция на транспортном ферменте происходит уже при концентрации Са²⁺ в цитозоле около 10^-7 моль · л^-1. Са-АТФаза связывает не только Са²⁺, но и АТФ в комплексе с ионами магния. Центры связывания Са²⁺ и АТФ локализованы на той поверхности фермента͵ которая обращена к цитозолю, но это разные центры.

2). Активированная кальцием транспортная АТФаза катализирует гидролиз АТФ, что и составляет основное событие второго этапа в работе кальциевой помпы. При гидролизе от АТФ отщепляется концевая фосфатная группа, присоединяясь затем к Са-АТФазе, которая приобретает при этом дополнительную свободную энергию, равную энергии гидролиза АТФ (примерно 31,4 кДж · моль^-1). За счёт этой энергии образуется фермент-фосфатный комплекс (Ф~Р).

3). Третий этап работы кальциевого насоса включает переход Са²⁺ на противоположную сторону мембраны, что обеспечивается изменением конформации Са-АТФазы, приводящим к перемещению молекулы фермента в пространстве БМ. Полагают, что происходит сдвиг подвижных групп Са-АТФазы, на которых адсорбирован Са²⁺, относительно неподвижной части молекулы. На внешней стороне БМ транспортная АТФаза освобождается от Са²⁺, поскольку комплекс Ф~Р гидролизуется после того, как затрачивает полученную ранее энергию на активный транспорт ионов. Вслед за гидролизом фермент-фосфатного комплекса происходит дефосфорилирование фермента. Возвращение Са-связывающих центров в исходное состояние является следствием восстановления той конформации молекулы Са-АТФазы, которая свойственна ей в нефосфорилированном состоянии.

В сокращенном виде схема активного транспорта кальция выглядит следующим образом:

Обозначения в схеме: Са²⁺_ц − кальций в цитоплазме, Са²⁺_спс − кальций в сарко-плазматической сети, Р − ортофосфат, Ф₁ − неэнергизованная конформация Са-АТФазы, Ф₂ − энергизованная конформация Са-АТФазы.

Кальциевый насос, в отличие от калий-натриевого, не проявляет электрогенных свойств − активный транспорт Са²⁺ не сопровождается образованием разности потенциалов на мембране саркоплазматической сети. Неэлектрогенность кальциевой помпы обусловлена высокой проницаемостью этой мембраны для многих ионов. По этой причине мембранный потенциал, создаваемый переносом Са²⁺, сразу падает из-за утечки других ионов.

referatwork.ru

Мембранные насосы — это… Что такое Мембранные насосы?



Мембранные насосы

Мембранные насосы — работают от энергии сжатого воздуха, что дает ряд преимуществ по сравнению с традиционными электрическими насосными агрегатами.

Применение

Принцип работы

Принцип работы

Сжатый воздух, проникающий за одну из мембран, заставляет её сжиматься и продвигать жидкость в отверстие выхода. В это время вторая мембрана напротив создаёт вакуум, всасывая жидкость.

После прохождения импульса пневматический коаксиальный обменник меняет направление сжатого воздуха за вторую мембрану и процесс повторяется с другой стороны.

Преимущества мембранных насосов

• Надёжная простая конструкция — отсутствие двигателя и редуктора, нет вращающихся деталей
• В качестве привода — энергия сжатого воздуха, отсутствие искрообразования, абсолютная безопасность при работе с горючими жидкостями
• Компактные размеры и малый вес
• Универсальность применения насосов — перекачка воды, вязких жидкостей, жидкостей с твердыми включениями до 12-15 мм в диаметре
• В насосах нет уплотнений и подшипников — гарантия отсутствия утечек и износа основных деталей
• Простота регулирования производительности от нуля до максимума посредством изменения количества подаваемого воздуха
• Для работы насоса не требуется смазка механизмов и обслуживание

Современные производители мембранных насосов

• DEBEM (Италия) — химические насосы
• ETATRON D.S. (Италия)

Ссылки

Wikimedia Foundation. 2010.

• Мембранная клавиатура
• Мемеле (река)

Смотреть что такое «Мембранные насосы» в других словарях:

• Насос — У этого термина существуют и другие значения, см. Насос (значения). Не следует путать с Вакуумный насос. Насос гидравлическая машина, преобразующая механическую энергию приводного двигателя в энергию потока жидкости, служащая для перемещения и… …   Википедия

• КЛЕТКА — элементарная единица живого. Клетка отграничена от других клеток или от внешней среды специальной мембраной и имеет ядро или его эквивалент, в котором сосредоточена основная часть химической информации, контролирующей наследственность. Изучением… …   Энциклопедия Кольера

• Перистальтический насос — Перистальтический насос  насос для перекачки жидкостей, текущих по гибким трубкам. Принцип действия основан на том, что ролики передавливают трубку с жидкостью, и двигаясь вдоль трубки, проталкивают жидкость вперёд. Обычно состоит из гибкой… …   Википедия

• 3641 — СТ СЭВ 3641{ 82} Оборудование для стекольной и керамической промышленности. Насосы мембранные. ОКС: 23.080, 81.100 КГС: Г45 Машины и оборудование для промышленности стройматериалов, строительства, дорожных и земляных работ и коммунального… …   Справочник ГОСТов

• Клеточные мембраны — У этого термина существуют и другие значения, см. Мембрана Изображение клеточной мембраны. Маленькие голубые и белые шарики соответствуют гидрофильным «головкам» липидов, а присоединённые к ним линии  гидрофобным «хвостам». На рисунке… …   Википедия

• Избирательная проницаемость — У этого термина существуют и другие значения, см. Мембрана Изображение клеточной мембраны. Маленькие голубые и белые шарики соответствуют гидрофильным «головкам» липидов, а присоединённые к ним линии гидрофобным «хвостам». На рисунке показаны… …   Википедия

• Биологическая мембрана — У этого термина существуют и другие значения, см. Мембрана Изображение клеточной мембраны. Маленькие голубые и белые шарики соответствуют гидрофильным «головкам» липидов, а присоединённые к ним линии гидрофобным «хвостам». На рисунке показаны… …   Википедия

• Биологические мембраны — У этого термина существуют и другие значения, см. Мембрана Изображение клеточной мембраны. Маленькие голубые и белые шарики соответствуют гидрофильным «головкам» липидов, а присоединённые к ним линии гидрофобным «хвостам». На рисунке показаны… …   Википедия

• Клеточная мембрана — У этого термина существуют и другие значения, см. Мембрана. Изображение клеточной мембраны. Маленькие голубые и белые шарики соответствуют гидрофобным «головкам» фосфолипидов, а присоединённые к ним линии  гидрофильны …   Википедия

• Мембрана (биология) — У этого термина существуют и другие значения, см. Мембрана Изображение клеточной мембраны. Маленькие голубые и белые шарики соответствуют гидрофильным «головкам» липидов, а присоединённые к ним линии гидрофобным «хвостам». На рисунке показаны… …   Википедия

dic.academic.ru

Функции клеточных мембран. Работа «ионного насоса» — Мегаобучалка

Клеткам присуще мембранное строение — это одно из положений клеточной теории. Среди мембранных органоидов — наружная цитоплазматическая мембрана (НЦМ), эндоплазматиче-ская сеть (ЭПС), аппарат Гольджи (АГ), лизосомы (Л), митохондрии (М), пластиды (П). В основе всех этих органелл лежит биологическая мембрана, все они имеют единый план строения. Мембранные структуры — арена важнейших жизненных процессов.

Биологическая мембрана (клеточная или плазматическая) — пленка, покрывающая клетку, и настолько тонкая, что ее удалось обнаружить лишь с помощью трансмиссионного электронного микроскопа. Все мембраны построены по одному плану, всегда слоистые. Поперечный разрез показывает, что по обе стороны внутренней, более светлой линии расположены более темные. Мембраны были открыты более века назад, но их роль в механизмах жизнедеятельности клеток до недавнего времени сводили в основном к барьерной функции. Опыты показали, что малые молекулы быстрее усваиваются живой клеткой, чем большие, и вещества, растворимые в воде и нерастворимые в жирах, проникают в клетку медленнее, чем растворимые в жирах. Значит, мембраны содержат жироподобные вещества — липиды и белки, способные связывать воду.

Липиды в мембранах содержат фосфорную кислоту, потому их называют фостатидами. Пример — лецитин. Капля такого ли-

пида мгновенно растекается по водной поверхности, и пленка образует мономолекулярный слой. Они обладают водоотталкивающими, или гидрофобными (от греч. phobos — страх, боязнь), свойствами. Фосфорная кислота растворима в воде, или гидрофильна (от греч. philia — любовь). Она как бы притягивает воду, а водоотталкивающие остатки жирных кислот, расположенные на другом конце молекулы, как бы избегают ее. Так как гидрофобные концы липидных молекул не могут сближаться ни с клеточной оболочкой, ни с протопластом, они обращены друг к другу «головами». Так образуется бимолекулярный слой, у которого наружу выставлены гидрофильные части. Дополнительные гидрофильные белки в мембране повышают устойчивость описанного выше липидного бимолекулярного слоя.

Структуру мембран — внутри «масло» (двойная липидная пленка), снаружи «хлеб» (белковая оболочка) — называют сэндвич-структурой. Такую структуру химики могут получать искусственно.

Мембрана — двухмерно ориентированный раствор разных белковых молекул и белковых кластеров из нескольких сотен молекул в вязком слое. Белковые молекулы в большинстве своем свернуты в клубки (глобулы) и асимметричны. Их выступающие из мембраны части обладают электрическими зарядами, причем на внешней поверхности суммарный заряд оказывается отрицательным. Молекула фосфолипидов сильно асимметрична. Одна ее часть несет электрические заряды, образуя «полярную» головку, другая — электронейтральный углеводородный «хвост». В водной среде полярные головки выступают из воды, а углеводородные хвосты, из-за гидрофильных и гидрофобных взаимодействий погружаются. Так как все белки участвуют в диффузном движении, их распределение по мембране в каждый момент случайно. Коэффициент диффузии белковых молекул по мембране порядка 5 • 10^-14 м²/с, а для гемоглобина в водном растворе — на три порядка больше. Значит, вязкость мембранной фазы на три порядка больше, чем у воды. Некоторые белки способны только к поступательному перемещению, другие могут вращаться в плоскости мембраны, есть и такие, которые перемещаются с одной стороны мембраны на другую. Последние участвуют в транспортировании веществ через мембрану.

Ионный перенос — проявление мембранной возбудимости. Через мембрану осуществляется обмен с внешней средой — питание и выделение отходов. Несмотря на хаотические движения, молекулы стремятся переместиться в сторону меньшего давления (перемещение по градиенту давления, или концентрации, называют диффузией). Мембрана обеспечивает стабильность химического содержимого клетки и, обладая избирательной способностью, регулирует обмен с окружающей средой. Вещества, растворимые в липидах, проходят через мембрану, не растворяясь в ней. Пере-

мещение ионов и органических мономеров типа аминокислот и глюкозы происходит много быстрее, чем этого можно было бы ожидать от полярных молекул. Имеет место и перемещение против градиента концентрации — так называемый активный транспорт, требующий затрат энергии. Наиболее изу чен такой активный транспорт: процесс откачки ионов натрия из клетки и накачки в нее ионов калия, в котором «Na—К — насос» использует энергию АТФ (рис. 12.4). Этим путем откачиваются ионы натрия из клетки и накачиваются ионы калия против градиента концентрации.

Специальные белковые молекулы в мембране переносят различные вещества. Так, с их помощью клетки печени, эритроциты и мышечные клетки быстро поглощают глюкозу. В настоящее время выяснены пять молекулярных форм переносчика глюкозы, причем каждая из них приспособлена к нуждам той ткани, в которой она содержится. Посредством такой облегченной диффузии вещества могут выводиться из клеток. Через мембрану осуществляется и пассивный транспорт. Таков осмос — прохождение воды через полупроницаемую мембрану. Могут через нее путем диффузии проникать вещества, растворимые в липидах (жирные кислоты и эфи-ры), и некоторые ионы.

Клеточная мембрана, помимо барьерной функции, обеспечивает обмен между цитоплазмой и внешней средой, из которой в клетку поступают вода, ионы, различные молекулы, а выводятся продукты обмена веществ и синтезированные в клетке вещества. Транспортные функции не ограничиваются маленькими молекулами. Благодаря фагоцитозу, открытому и описанному И. И. Мечниковым (1882), в клетку могут проникать и крупные молекулы биополимеров. Твердая частица, оказавшаяся вблизи клетки, окружается выростами мембраны и затягивается внутрь. Процесс фагоцитоза свойствен простейшим, лейкоцитам, клеткам капилляров костного мозга, печени, надпочечников, селезенки. Существует и еще один вид активного транспорта — пиноцитоз. Таким путем происходит поглощение клеткой жидкости в виде мелких капель с растворенными в них высокомолекулярными веществами. Капли захватываются выростами мембраны, погружаются в цитоплазму и усваиваются. Это явление свойственно животным клеткам.

Регулируя обмен между клеткой и окружением, мембраны обладают рецепторами, воспринимающими внешние сигналы (свет, движение бактерий к источнику пищи, ответы на гормоны). Безусловно, важно, что на них происходит превращение энер-

гии. Так, на внутренних мембранах хлоропластов происходит фотосинтез, а на внутренних мембранах митохондрий — окислительное фосфорилирование. Компоненты мембран движутся и перестраиваются, поскольку созданы из белков и липидов, что определяет одно из важнейших свойств живого — раздражимость.

Роль мембран стала вырисовываться иначе после того, как английские ученые химик Д. Кроуфут-Ходжкин и физиолог А. Хаксли сформулировали теорию проведения нервного импульса (1952), а Е.Сюзерленд открыл (1972) существование на возбудимой мембране переносчика информации внутрь клетки (молекулы цАМФ — циклического аденозинмонофосфата). Этот вопрос еще недостаточно изучен и является предметом особого интереса, так как через познание механизма функционирования возбудимых мембран лежит путь к диагностике и лечению многих болезней.

Возбудимость — реакция клетки на воздействие, происходящая с многократным усилением по энергии. Возбудимость — общее свойство клеток, не только сердечных, мышечных или нервных. Состояние мембраны отражает состояние клетки в целом. Возбудимыми называют мембраны, окружающие клетку и способные менять свою проницаемость для ионов при различных химических и физических воздействиях. Функционирование таких мембран обеспечивает не только внутриклеточную регуляцию, но и управление и синхронизацию работы соседних клеток и даже органов с помощью химических и электрических каналов связи, которые составляют основу гормональной и нервной регуляции. Основные компоненты этих систем находятся в мембранах.

megaobuchalka.ru

Статья — Работа ионных насосов

Когда мышца сокращается, то на это тратится энергия. Это ясно. Одним из показателей затраты энергии является потребление кислорода. Но оказывается, что кислород потребляется и покоящейся мышцей или нервом. В 1932 г. М. Березина, работавшая в лаборатории английского биофизика А. Хилла, показала, например, что нерв краба в покое потребляет 50% того количества кислорода, которое требуется ему при усиленной работе. В связи с этими данными Хилл писал: «Таким образом, ничего не делая, а просто находясь в состоянии готовности к ответу, нерв потребляет около половины той энергии, которую он использует при максимальном ответе». Сейчас достоверно известно, что эта энергия в основном расходуется га поддержание ионных концентраций, а следовательно, и на поддержание потенциала покоя.

Напомним, что ПП в основном создается за счет разности концентраций калия внутри клетки, где его много, и вне клетки, где его мало. Но мембрана проницаема, хотя и в небольшой степени, также и для ионов натрия. Ионы натрия должны проникать внутрь клетки по градиенту потенциала, а наружу вместо них должны выходить ионы калия. За счет этого процесса ПП должен постепенно снижаться. Однако в живых организмах этого ие происходит. Существует какой-то механизм, который все время поддерживает ПП, а значит и разность концентраций калия внутри и вне клетки. Этот механизм должен перемещать ионы калия внутрь клетки, т.е. туда, где их концентрация выше, чем снаружи, а такие перемещения против градиента концентрации требуют затраты энергии.

Косвенные данные, показывающие, что энергия покоящегося нерва затрачивается на поддержание ПП, были получены еще в 30-годы, когда Р. Джерард показал, что величина ПП в нервном волокне прямо зависит от содержания кислорода в омывающей волокно среде.

Изучение механизма поддержания ионной концентрации является одной из важных задач биоэнергетики – раздела молекулярной биологии. Биоэнергетика, которая изучает, откуда живая клетка получает энергию и на что ее тратит, оказалась теснейшим образом связанной с электробиологией. Каковы же молекулярные механизмы поддержания ионных концентраций?

Мы уже говорили, что в наружную клеточную мембрану встроены разного рода белковые молекулы. Оказывается, некоторые из этих молекул играют роль своеобразных насосов, «закачивая» ионы калия внутрь клетки и выкачивая ионы натрия наружу. Они так и называются – «ионные насосы». Эти белки, очень сложно устроенные, представляют собой настоящую молекулярную машину, умеющую делать удивительные вещи. Например, показано, что она имеет два активных центра, одним из которых может захватывать ион калия, а другим – натрия. Найдено также и «топливо», на котором работает эта машина. Это особое химическое соединение – аденозинтрифосфорная кислота. Известен также «коэффициент полезного действия» этого топлива: опыты с радиоактивными изотопами показали, что энергии распада одной молекулы АТФ достаточно для выкачивания наружу трех ионов натрия и закачивания внутрь клетки двух ионов калия. Как работает эта молекулярная машина, точно не известно, но можно представить себе, например, такую схему. Захватив одним активным центром из наружной среды ион калия, а другим – из внутренней – ион натрия, она, потребляя АТФ, поворачивается внутри мембраны на 180°. Ион натрия оказывается вне клетки и там отделяется, а ион калия попадает внутрь и тоже освобождается, после чего молекула белка принимает исходное положение и все начинается сначала. Этот белок, открытый в 1957 г. С. Скоу, обычно называют натрий-калиевым насосом.

Если прекратить подачу кислорода к клетке, то в ней через некоторое время исчезает АТФ и прекращается перекачка калия и натрия; тогда разности концентраций начинают выравниваться и ПП начинает падать. Если в такую клетку ввести АТФ, то насос возобновляет работу и ПП восстанавливается. Это и объясняет опыты Дже-рарда.

Мы знаем, что процессы в организме регулируются. Сердце бегуна бьется втрое чаще, чем у спокойно сидящего человека. Работа сердца регулируется нервной системой. А можно ли как-то регулировать работу молекулы, управлять молекулярной машиной?

Оказалось, что работа ионных насосов управляется концентрацией ионов внутри клетки и вне ее. При этом работа насоса ускоряется избытком ионов калия снаружи клетки или избытком ионов натрия внутри клетки.

Поскольку натрий-калиевый насос выкачивает наружу больше ионов натрия, чем закачивает внутрь ионов калия, он меняет не только концентрацию этих ионов, но и мембранный потенциал. Поэтому натрий-калиевый насос называют электрогенным насосом. В каждом цикле работы насос выбрасывает наружу лишний ион натрия и тем самым гиперполяризует мембрану. После одного или нескольких ПД в клетке оказывается избыток Ка+; это активирует работу насоса. Интенсивно выкачивая натрий, насос может заметно гиперполяризовать мембрану: МП может на 20 мВ превышать ПП за счет работы насоса. Таким образом, насосы не только влияют на концентрации ионов, но могут быть и источниками заметной разности потенциалов.

Мы с вами вкратце ознакомились с работой одного из мембранных белков – натрий-калиевого насоса. В дальнейшем нам придется говорить про многие другие мембранные белки. Но одно важное замечание можно сделать уже после этого первого примера. До сих пор мы рассматривали такие процессы, которые протекали совершенно одинаково и в физических, и в биологических системах. ПП возникает совершенно одинаково и на полупроницаемой мембране нервного волокна, и на полупроницаемой стенке глиняной трубки. Теперь мы в первый раз столкнулись с таким явлением, которое не встречается в физике, так как оно является результатом биологической эволюции. Это машина, размером всего в одну молекулу, перекачивающая ионы через мембрану. Работа этой машины может регулироваться как поставками энергии, так и ситуацией в окружающей среде. С разными молекулярными машинами мы неоднократно встретимся в дальнейшем.

Какие еще бывают насосы?

Важнейшую роль в осуществлении самых разных клеточных функций играет ион кальция. В покое внутри клетки очень мало ионов свободного кальция по сравнению с окружающей средой – всего 10~7 – 10~е моля. Под влиянием тех или иных воздействий кальций может попадать в клетку, но потом должен быть удален из цитоплазмы. Если высокая концентрация кальция в клетке не устраняется, клетка через некоторое время погибает, Поэтому клетки очень тщательно следят за внутриклеточной концентрацией кальция. В клеточной мембране имеется специальный кальциевый насос, выкачивающий ионы кальция в наружную среду. Этот насос электронейтрален: он обменивает ион кальция на два протона.

В особом положении находятся мышечные клетки. Для мышечного сокращения необходимо много ионов кальция, и его надо доставлять к каждой из белковых фибрилл, пронизывающих все тело клетки *). Его надо быстро доставлять, а потом так же быстро убирать от фибрилл, чтобы мышца могла расслабиться. Если бы кальций поступал и удалялся через наружную мембрану клетки, такое быстрое его перемещение было бы невозможным. Мышечные клетки нашли выход из положения. Внутри них имеется разветвленная система полостей и трубочек» образованных специальной внутренней мембраной. В этих полостях и хранится кальций, туда же он убирается для расслабления мышцы. Вся эта внутренняя мембрана густо покрыта молекулами – молекулами кальциевого насоса. Концентрация кальция в полостях в расслабленной мышце в тысячи раз выше, чем в остальных частях клетки. Работа насоса обходится клетке недешево: на перенос двух ионов кальция насос расходует одну молекулу АТФ.

На этом примере мы видим, что молекулярные машипи могут работать не только на наружной мембране клетки, но и на ее внутренних мембранах.

Протонная помпа

Ионные насосы имеются не только в клетках животных. Например, у гриба нейроспоры обнаружен электрогенный ионный насос, который работает на энергии АТФ и может создавать на мембране гриба разность потенциалов в 200 мВ за счет энергичного выкачивания протонов из клетки. У галобактерий обнаружен протонный насос, работающий на энергии света. Интересно, что белок, образующий этот насос, весьма схож по строению с родопсином рецепторов сетчатки.

А теперь обратите внимание на то, как далеко мы вдруг ушли от нервного волокна или мышцы, с которыми работали и Гальвани, и Дюбуа-Реймон, и поколения других электрофизиологов. Вдруг речь пошла о бактериях и грибах, а могла с таким же успехом пойти и о клетках растений.

В биологии очень важно сравнивать между собой разные объекты, чтобы уберечься от ложных заключений, переноса свойств одного животного на весь органический мир. И что же показало такое сравнительное изучение? Оказалось, что все клетки имеют ПП! Причем у разных клеток он может создаваться разными способами: в нервном волокне – за счет градиента концентрации калия, а у гриба нейроспоры – за счет работы протонной помпы.

Мы знаем, что у нервных и мышечных клеток их мембранный потенциал как-то используется для передачи сигналов и сокращения. Но зачем нужен ПП клеткам бактерий или грибов?

Зачем невозбудимым клеткам потенциал покоя?

Вернемся на минутку к клеткам животных. Ведь и у животных кроме нервов и мышц есть и клетки печени, и клетки желудкаА и клетки кожи. Зачем нужен им ПП?

До сих пор, когда мы говорили о движении веществ через клеточную мембрану, мы в основном рассматривали или воду, или ионы. Но всем клеткам необходимо получать питательные вещества, например сахара, или аминокислоты для построения клеточных белков. Сами по себе эти вещества очень плохо проходят через липидные пленки. Как же они попадают в клетки? Оказалось, что, как правило, они проходят внутрь клеток тогда, когда на клеточной мембране есть потенциал, а в окружающей среде – ионы натрия. Почему?

Здесь мы сталкиваемся с новым классом молекулярных машин белков-переносчиков и с явлением электрического транспорта. Эти белки присоединяют к себе на наружной части мембраны молекулу и ион натрия, приобретая положительный заряд. Тогда электрическое поле втягивает переносчик к внутренней поверхности мембраны, где он отделяет сахар и натрий. Затем белок-переносчик вновь проходит через жидкую липидную мембрану на поверхность, где захватывает новые молекулы сахара и натрий. Лишний натрий, который попадает внутрь клетки, откачивается наружу натриевым насосом.

Итак, теперь мы понимаем, что мощное электрическое поле в мембране создается не зря: клетка, обладающая ПП, может эффективно втягивать внутрь положительно заряженные молекулы или комплексы молекул. Молекула сахара сама по себе не несет заряд, а переносчик не присоединяет ион натрия, пока сахар не займет свое место. Можно сказать, что переносчик играет роль кареты, сахар – седока, а натрий – роль лошадки, хотя он не сам вызывает движение, а его втягивает в клетку электрическое поле. Для поглощения из среды разных Сахаров или разных аминокислот клетка имеет и разные белки-переносчики. Переносчики у бактерий доставляют в клетку сахара не с ионом натрия, а с ионом водорода.

Таким образом, мембранный потенциал используется всеми клетками для электрического транспорта разных веществ.

Электрический транспорт может быть использован и для удаления некоторых веществ из клетки. Приведем пример. Мы уже говорили, что избыток кальция в клетке опасен для нее. Если кальция в клетку попало много и кальциевый насос не справляется с его удалением, включается особая аварийная система и в дело вступает белок-переносчик. Он присоединяет внутри ион кальция, а снаружи – три иона натрия и переносит кальций наружу, а натрий – внутрь клетки. В отличие от натрий-калиевого насоса, который использует энергию АТФ, этот кальциевый переносчик работает как электромотор, используя энергию мембранного потенциала. Правда, при каждом цикле работы внутрь клетки тут попадают три иона натрия, но это не так страшно, как попадание ионов кальция.

Все рассказанное нами наводит на мысль, что нервные клетки, несколько модифицировав свою мембрану, использовали мембранный потенциал, присущий любой живой клетке, для выполнения новой функции – передачи сигналов. То, что служило для транспорта веществ, стало служить для передачи информации. Такой способ эволюции называется «смена функций»; он был открыт еще Дар-вином и подробно разработан почти сто лет назад немецким зоологом А. Дорном.

Как организмы используют свои ионные насосы

Успехи молекулярной биологии часто позволяют понять процессы, происходящие на клеточном и даже на органном уровне. Так. открытие ионных насосов позволило биологам совершенно иначе представить себе работу целого ряда органов животных или выполнение клеточных функций. Мы рассмотрим лишь несколько примеров такого нового понимания,

Есть животные, которые пьют только морскую воду9 папример альбатросы. Специальные железы, клетки которых снабжены ионными насосами, выделяют наружу лишнюю соль. Железы с такими же функциями имеются и у некоторых растений, растущих на засоленных почвах.

Интересно, что «опреснители» существуют и у морских рыб. Дело в том, что их кровь менее соленая, чем окружающая среда, поэтому вследствие осмоса вода «вытягивается» из тела рыбы через жабры. Приходится пить много воды, но с ней в организм попадает лишняя соль. Эта соль выкачивается наружу ионными насосами, которые расположены в мембране клеток тех же жабер.

А у пресноводных рыб или лягушек вода, напротив, поступает в тело, разбавляя внутреннюю среду. Поэтому у этих рыбнасосы жабер, а у лягушек ионные насосы кожи ловят разнообразные ионы в окружающей среде и перекачивают их внутрь организма. Работу такого электрогенного насоса когда-то и удалось зарегистрировать Дюбуа-Реймону на коже лягушки.

С ионными насосами связана работа органов пищеварения и выделения различных животных, они принимают участие во всасывании продуктов пищеварения, выделении отходов метаболизма и др. В специальных клетках желудка позвоночных имеется протонная помпа. Она выкачивает в просвет желудка положительно заряженные ионы водорода, за которыми идут отрицательные ионы хлора; так в желудке вырабатывается соляная кислота.

Рассмотрим еще работу кишечника человека и других позвоночных. Когда пища в кишечнике разрушается пищеварительными ферментами, там возникает очень много молекул, которые создавали бы огромное осмотическое давление. В передние отделы кишечника все время поступает вода так, чтобы поддерживалось такое же осмотическое давление, как в плазме крови. Вместе с водой в двенадцатиперстную кишку поступают ионы натрия и хлора. В тонком кишечнике натрий вместе с молекулами Сахаров и аминокислот захватывается молекулами-переносчиками. Это создает разность потенциалов на эпителии тонкого кишечника, а разность потенциалов вызывает движение ионов хлора. В результате в кровь возвращаются натрий и хлор, а также сахара и аминокислоты. Вслед за этими веществами по законам осмоса идет всасывание воды. За сутки из кишечника всасывается в кровь примерно 10 литров воды, это больше^ чем все количество крови в организме. Таким образом, кишечник работает за счет «круговорота воды», а также ионов натрия и хлора.

Итак, ионные насосы обслуживают самые разные функции организма: снабжение клеток пищей, поддержание солевого состава внутренней среды организма, регуляция осмотических процессов; ионные насосы позволяют растениям поглощать воду и соли из почвы, животным – пить только морскую воду и т.д. Создание высокой концентрации калия и связанного с ней ПП в возбудимых тканях – нервах и мышцах – лишь небольшая побочная веточка в этих разнообразных и важных электрических процессах.

Ионные каналы

Мембранная теория, о которой было рассказано в гл. 4, объяснив ряд классических экспериментальных данных, поставила перед биологами целый ряд новых вопросов. Чем обусловлена проницаемость мембраны для ионов калия и натрия? Каким способом мембранный потенциал меняет проницаемость мембраны? Какие процессы лежат в основе уравнений Ходжкина – Хаксли?

Вы уже знаете, что проводимость клеточных мембран в основном определяется содержащимися в них белками, образующими в мембране «поры», через которые могут проходить небольшие молекулы. Те поры, через которые проходят ионы калия, назвали калиевыми ионными каналами, а те, через которые проходят ионы натрия, – натриевыми ионными каналами.

Ионные каналы образованы особым классом белковых молекул. Эти молекулы умеют отличать «свои» ионы, открывают или закрывают путь для ионов под действием потенциала на мембране и т.д. Таким образом, это еще один класс белковых машин, столь же важных, как и ионные насосы.

В начале 70-х годов английский биофизик Б. Хилле исследовал прохождение через натриевые и калиевые каналы ионов разного размера. Ионы, которые имели размер больше критического, не проходили через данный канал. Хилле выяснил, что диаметр калиевого канала равен примерно 0,3 нм, а у натриевого канала – чуть больше. На основании ряда таких опытов сложилось следующее приближенное представление о ионных каналах,

Ионный канал можно представить себе как трубку определенного диаметра, пересекающую мембрану. На одном конце такая трубка имеет «заслонку» или «ворота», положением которых управляет потенциал. Заслонка заряжена и поэтому при изменении потенциала может открывать вход в канал. Иными словами, считается, что ворота каналов представляют собой какую-то заряженную группу атомов, которая может смещаться в электрическом поле, открывая при этом дорогу для ионов калия или натрия. Смещение такой заряженной группы в молекуле белка должно регистрироваться в виде кратковременного небольшого электрического тока. И действительно, в 1973 г. Р. Кейнесу и Е. Рохасу удалось зарегистрировать этот ток в натриевых каналах. Чтобы более сильный ток натрия не замаскировал этот слабый воротный ток, натриевые каналы во время опытов были заблокированы тетродотоксином.

При изучении натриевых каналов было показано, что ворота и механизм инактивации расположены в разных участках канала. Фермент проназа, введенный внутрь гигантского аксона кальмара, «откусывает» часть натриевого канала, торчащую из мембраны. После такой процедуры канал продолжает открывать ворота под действием деполяризации но не инактивируется. Таким образом, предсказание модели X–X о наличии двух обособленных процессов – активации и инактивации – получило четкое экспериментальное подтверждение.

Удалось определить также плотность натриевых каналов в мембране. Это было сделано разными способами. Так, Хилле, который оценил диаметры каналов, рассчитал, какое сопротивление должен иметь один такой канал, и получил значение порядка 1010 Ом. Зная удельное сопротивление мембраны, можно найти плотность каналов. Другой метод состоял в том, что определялось число молекул тетродотоксина, необходимое для полной блокады натриевой проводимости. Оба метода дали очень близкие результаты. Оказалось, что на квадратном микрометре мембраны находятся всего несколько десятков каналов. Это очень мало, если учесть, что на той же площади располагаются несколько миллионов молекул липидов. «Молекулярное сито» оказалось похожим на решето, в котором пробито всего несколько дырочек.

Сначала думали, что существуют всего два типа ионных каналов – калиевые и натриевые, но оказалось, что это не так. Например, были открыты кальциевые каналы. Вначале их обнаружили у пресноводных животных – инфузорий и моллюсков. Это казалось естественным: в пресной воде обычно больше ионов кальция, чем натрия. Однако в дальнейшем оказалось, что кальциевые каналы есть и у позвоночных животных. Оказалось также^ что и сами натриевые каналы устроены не все одинаково. Например, в клетках сердца эмбрионов млекопитающих обнаружены натриевые каналы, которые не блокируются тетродотоксином. По мере созревания организма эти каналы заменяются другими – тетродочувствительными. Калиевых каналов тоже оказалось много сортов. Затем были открыты хлорные каналы и т.д. В конце концов, каналов наоткрывали почти столько же, сколько элементарных частиц. В одной и той же клетке сердца имеется много разных сортов ионных каналов и открываются все новые.

Развитие методик позволило перейти к изучению свойств отдельных каналов. Для этого микроэлектрод не вводят в мембрану, а плотно прижимают к ней. Так как каналы расположены далеко друг от друга, удается так прижать электрод, что под ним находится всего один канал. В таких работах удается получить ответы, например, на такой вопрос, сколько состояний есть у канала: «открыто» и «закрыто» или еще какие-то? В этих работах было обнаружено, что поведение одиночного канала является вероятностным. При данном уровне мембранного потенциала у канала есть определенная вероятность открыться на некоторое время. При другом уровне ПП эта вероятность меняется.

Теперь мы можем обсудить такой вопрос: чем определяется, например, рост мембранной проницаемости калия от времени при скачке мембранного потенциала? Если бы все каналы были одинаковыми и детерминировано управлялись бы электрическим полем на мембране, то постепенного изменения проницаемости не наблюдалось бы – она менялась бы скачком. Тогда все процессы возбуждения протекали бы совершенно иначе. Плавное изменение проницаемости можно объяснить либо присутствием в мембране каналов разного сорта с разной чувствительностью к МП, либо вероятностным характером работы каналов, который и был обнаружен экспериментаторами.

Таким образом, уравнения Ходжкина – Хаксли – это такие же макроскопические уравнения, как уравнение Менделеева – Клапейрона. И как за уравнением газового состояния стоят молекулярно-кинетическая теория и статистическая физика, так и за уравнениями X–X сюит статистическая физика каналов, которая сейчас энергично развивается.

Другие современные направления молекулярной биологии – это изучение устройства одиночных молекулярных машин, их деталей и их взаимодействия, выяснение того, какие атомные группы играют роль ворот и т.д. И, наконец, еще одно направление – генетика ионных каналов.

Если еще недавно предполагалось, что ионный канал – это стабильная машина, которая встраивается в мембрану н функционирует достаточно долго, то теперь выяснилось, что белки-каналы нервных клеток функционируют всего около суток, а потом разрушаются и на их место доставляются новые каналы. Синтезируются эти канальные белки, как и другие белки, специальными молекулярными машинами – рибосомами. «Команду», какой именно белок синтезировать, рибосомы получают от особых молекул – молекул информационной рибонуклеиновой кислоты. Английскому биологу Миледи удалось поставить такой красивый опыт. Он выделил из нервных клеток молекулы РНК и ввел их в яйцеклетку. В норме эти яйцеклетки невозбудимы, т.е. не реагируют на деполяризацию ПД. Однако те яйцеклетки, в которые ввели РНК нейронов, приобрели возбудимость и стали отвечать на раздражение такими же импульсами, как нервные клетки. Это означает, что по РНК нейронов на рибосомах яйцеклеток были синтезированы белки ионных каналов, эти белки сумели встроиться в мембрану яйцеклетки и нормально в ней работали.

Было обнаружено, что в мотонейронах позвоночных на теле клетки в основном находятся натриевые каналы, а на дендритах – кальциевые. Такое же распределение каналов обнаружили и на клетках Пуркинье – крупных нейронах мозжечка. Это означает, что белки-каналы, вырабатываемые клеткой, не просто встраиваются в мембрану нейрона где попало, а каналы разного сорта транспортируются в нужное место.

До сих пор речь шла о каналах, которые открываются и закрываются под действием электрического поля на мембране. Однако существуют и каналы совершенно иного сорта, которые управляются химическими веществами. Уже давно были известны каналы постсинаптической мембраны, которые открываются под действием медиатора. Но сейчас выяснено, что сходными свойствами обладают и каналы, не имеющие отношения к синапсам, причем они могут реагировать не на вещества, поступающие к наружной поверхности клетки извне, а на те вещества, которые вырабатываются внутри клетки или накапливаются в ней.

Например, существуют кальциевые каналы, лишенные инактивации. При деполяризации мембраны через них в клетку все время поступает поток ионов кальция. Если концентрация кальция в клетке достигает некоторого достаточно высокого уровня, то канал закрывается. Эти каналы можно закрыть и с помощью электрического поля, гиперполяризуя мембрану; таким образом, это каналы, так сказать, «двойного подчинения». Обнаружены и калиевые каналы, управляемые концентрацией кальция.

Для других кальциевых каналов показано, что они чувствительны к концентрации особого вещества цАМФ. Это вещество управляет рядом внутриклеточных процессов. Рост концентрации цАМФ в некоторых нейронах приводит к открыванию каналов и деполяризации клетки. Одним из первых такие каналы обнаружил советский биофизик Е.А. Либерман.

Таким образом, в последние годы стало ясно, что есть много типов каналов, что каналы – это динамические образования и, наконец, что существует много механизмов, управляющих работой каналов: это и электрические поля на мембране, и разные химические вещества.

В каждой клетке есть гены, ответственные за белки-каналы, но в одних клетках эти гены неактивны, а в других они функционируют. Так электрические процессы в клетке оказываются связанными с работой ее генетического аппарата. Клетка может не только управлять работой каналов изнутри, она может и модифицировать их, менять их свойства посредством биохимических реакций. Такие процессы происходят например, при обучении животного.

www.ronl.ru