![Зависимость величины потенциала покоя от логарифма наружной концентрации ионов К + ([ K ] out )](https://s1.showslide.ru/s_slide/d8cf805c42db6d7f3f54c26b8a641324/49396140-a099-491d-b59c-33ccf4215612.jpeg.webp "Биологические мембраны")
Д о середины XX в. мембрану рассматривали как относительно простое образование, выполняющее лишь немногие простые стереотипные для различных клеток функции. До 1960-х г.г. сведения о мембранах были сравнительно ограничены. Было известно, что мембраны несомненно очень тонкие (порядка 10 нм), состоят из липидного бислоя с интегрированными белковыми молекулами.
В покое мембраны являются электрически заряженными (поляризованными). Они имеют в своем составе водные поры, через которые транспортируются некоторые ионы, изменяющие заряд мембраны. Такие изменения заряда представляют собой различные потенциалы, обеспечивающие межклеточную коммуникацию. Транспорт (ток) ионов контролируется различными мембранными электрическими сенсорами и линганд-активируемыми рецепторами. Ионные токи вызывают генерацию нервных импульсов, градуальных потенциалов и иногда выделение медиаторов. Мембраны также способствуют росту и развитию дендритов и аксонов, необходимых для локального и дистантного межклеточного взаимодействия.
Новые методологические подходы 1970-х г.г. благодаря разработке новых методов рентгеноструктурного анализа, электронной микроскопии, кристаллографии, компьютерного анализа и моделирования, а также успехам в молекулярной биологии привели к новому пониманию значения клеточных мембран и открытию неизвестных прежде присущих им механизмов синаптического контроля и нейропластичности.
Мембрана нейронов состоит из различных типов фосфолипидов, белков и углеводов. Молекулы, составляющие основу мембраны или ассоциированные с ней, мобильны, интерактивны и в большинстве случаев функционально взаимосвязаны. Они замещаются в результате внутриклеточного биосинтеза и обновляются в ходе процесса мембранного обмена.
Основные компоненты бислоя мембраны представляют: фосфатидил-холин, сфинго-миелин, фосфатидил-этаноламин и фосфатидил-серин.
Фосфолипид фосфатидилхолин представляет собой сложный эфир глицерина и полярной группы фосфохолина (глицерол-фосфат), соединенный с двумя длинными (из 14-20 атомов углерода) «хвостами» жирных кислот.
Полярная группа обращена во внеклеточную среду и цитоплазму, а нейтральные гидрофобные «хвосты» жирных кислот двух слоев мембраны - друг к другу, образуя бислой толщиной 7-8 нм.
Фосфолипид фосфатидилэтаноламин представляет собой сложный эфир глицерина и полярной группы фосфоэтаноламина (глицерол-фосфат), соединенный с двумя длинными (из 14-20 атомов углерода) «хвостами» жирных кислот.
Фосфолипид фосфатидилсерин представляет собой сложный эфир глицерина и полярной группы моноаминкарбоновой аминокислоты серина, соединенный с двумя длинными «хвостами» жирных кислот (обозначены как R). Сфингомиелин состоит из аминоспирта сфингозина, соединенного сложноэфирной связью с полярной группой, представленной фосфохолином или фосфоэтаноламином. Через амидную связь к сфингозину присоединена жирная кислота ( R).
фосфатидилхолин фосфатидилэтаноламин фосфатидилсерин сфингомиелин
В малом количестве в мембране присутствуют также и другие фосфолипиды, например, инозитолфосфаты. Фосфолипиды по-разному распределены в клеточной мембране: сфингомиелина и фосфатидилхолина больше во внешнем листке бислоя, в то время как фосфатидилэтаноламин и фосфатидилсерин доминируют во внутреннем листке бислоя. цитоплазма межклеточное пространство
Фосфолипиды клеточной мембраны (распределение в листках бислоя ) Легенда для фосфолипидов
Функции изолятора и барьера. Фосфолипидный бислой образует изолированные структуры, тем самым препятствуя проникновению в клетку полярных молекул, включая воду и электролиты. В то время как различные газы (например, О 2 и СО 2 ) и разнообразные растворимые в липидах вещества (например, этиловый спирт и местные анестетики) легко приникают через мембрану. Барьерные функции защищают клетку от потери жизненно важных полярных цитоплазматических компонентов и входа в клетку многих потенциально опасных внешних веществ. Внутриклеточная сигнализация. Производные мембранных фосфолипидов инозитол-1,2.3-трифосфат и диацилглицерол выполняют роль вторичных посредников. Электрические свойства. Фосфолипидный бислой вместе с открытыми каналами тока утечки в мембране демонстрирует свойства RC -цепочки и, соответственно, фильтра низких частот, а также и интегратора электрических входных сигналов.
Фосфолипидный бислой вместе с открытыми каналами тока утечки в мембране демонстрирует свойства RC -цепочки и фильтра низких частот, а также и интегратора электрических входных сигналов, … a - фосфолипидный бислой действует как конденсатор ( Cm ), а мембранные белки, формирующие определенные ионные каналы, обеспечивают проводимость утечки, обратную сопротивлению ( Rm ) мембраны. b – трансмембранный потенциал ( Vm ) в ответ на импульсы тока разной интенсивности
каналы тока утечки (leak channels) Электрические свойства мембраны … а мембранные белки, формирующие определенные ионные каналы, обеспечивают проводимость утечки ( G leak ), обратную сопротивлению ( 1/ G leak = Rm ) мембраны.
Крайне тонкий и текучий липидный бислой клеточной мембраны характеризуется мембранной емкостью порядка 1 мкФ/см 2, которая обеспечивает заряд 8 10 -9 кулонов/см 2 при мембранном потенциале -80 мВ, что эквивалентно заряду 5 10 11 одновалентных ионов/см 2. Даже в покое в мембране открыты каналы для ионов K + и Na +, поэтому мембрана демонстрирует проводимость утечки. Как отражение свойства проводимости мембрана обладает сопротивлением около 1000 Ом ● см 2.
Мембраны содержат много холестерола, который усиливает барьерные функции мембраны. Гидроксильные группы холестерола в проксимальных частях полярных головок фосфолипидных молекул частично иммобилизуют углеводородные группы в области полярных головок. Этим достигается меньшая проницаемость мелких растворимых в воде молекул.
Мембраны содержат много холестерола, который усиливает барьерные функции мембраны. Гидроксильные группы холестерола в проксимальных частях полярных головок фосфолипидных молекул частично иммобилизуют углеводородные группы в области полярных головок. Этим достигается меньшая проницаемость мелких растворимых в воде молекул.
Гликолипиды содержат углеводные группы (обычно галактозу, а также глюкозу), инозитол и обнаружены на внешней стороне мембраны. Они ассоциированы в микро-образования и предположительно обеспечивают межклеточное взаимодействие. 5-10% от липидной массы составляют ганглиозиды (один из типов гликолипидов). Предполагается, что ганглиозиды изменяют электрическое поле мембраны, а также концентрацию Са 2+ на внешней поверхности мембраны. Гликолипиды и ганглиозиды считаются молекулами «узнавания» клетками друг друга и их «слипания» (клеточной адгезии).
Белки подразделяют в соответствии с их положением в мембране на интегральные (встроенные в мембрану, I - VI ) и периферические ( VII - XIII ). Интегральные белки полностью пронизывают мембрану, а периферические - только прикреплены либо к цитоплазматическому, либо к внешнему листку бислоя.
Интегральные белки типов I и II имеют только один трансмембранный сегмент, и терминали амино- и карбоксильной групп выходят на противоположные стороны мембраны. К этим типам относятся некоторые транспортные белки.
Белки III типа, включающие отображенные на рисунке адренорецептор и аденилатциклазу, активируются снаружи или изнутри клетки, соответственно, и имеют несколько трансмембранных сегментов. Белки IV типа, представляющие собой ионные каналы, кроме трансмембранных сегментов имеют также участки, которые окружают проводящую ионы водную пору.
Гидрофобные участки интегральных белков располагаются внутри клеточной стенки параллельно с хвостами жирных кислот липидов бислоя. Гидрофильные участки интегральных белков обращены в цитоплазму и внеклеточную среду. Интегральные белки относительно мобильны в мембране, но в меньшей степени, чем липиды.
Гидрофобные участки интегральных белков располагаются внутри клеточной стенки параллельно с хвостами жирных кислот липидов бислоя. Гидрофильные участки интегральных белков обращены в цитоплазму и внеклеточную среду. Интегральные белки относительно мобильны в мембране, но в меньшей степени, чем липиды.
Транспортная функция. Ионные помпы (системы первичного активного транспорта) и обменники (системы вторичного активного транспорта) транспортируют ионы против их химических градиентов используя при этом энергию АТФ и энергию градиентов других ионов, соответственно. Ионные каналы обеспечивают проводимость растворенных в воде некоторых ионов по их электрохимическим градиентам. Транспортируют сахара и аминокислоты. Обеспечивают распознавание клеток друг друга при образовании клеточных агрегатов. Рецепторы нейромедиаторов, нейромодуляторов, гормонов и других химических передатчиков управляют проницаемостью ионов. Роль ферментов, катализирующих внутриклеточные каскады. Иммунореактивные элементы.
Гликопротеины ( V ) вовлечены в процесс взаимного распознавания клеток. Протеогликаны ( VI ) благодаря длинным полисахаридным цепочкам образуют структуры внешнего каркаса (гликокаликс), обеспечивающего структурную жесткость тканей.
Роль ферментов, катализирующих внутриклеточные каскады ( например G- белки - VII). Поддержание мембранной структуры (белки актин - XI, анкирин - X, фодрин, спектрин - IX ). Связывают везикулы с элементами цитоскелета (например, синапсин - VIII ). Посредники роста и развития дендритов и аксонов. Обеспечивают процесс мембранного обмена – рециклирование лиганд-активируемых рецепторов и синаптических везикул (например, аррестин, клатрин - XIII ). Обеспечивают процесс отщепления G -белка от рецептора ( G-protein receptor kinase, GRK - XII ).
Генерация электрического сигнала за счет градиента ионов Na + или (и) Ca 2+. Хемоосмотическое преобразование энергии - протонный градиент в митохондриях (теория Митчела). Существует специальный транспорт протонов ( Н + ), они выводятся из митохондрий в цитоплазму. Протонный градиент (градиент РН), как источник запасенной энергии, используется для окислительного фосфорилирования (АДФ -> АТФ). Транспорт веществ против градиента концентрации. Осуществляется за счет перемещения другого вещества по концентрационному градиенту. Например, за счет градиента Na + через клеточную мембрану транспортируются сахара и аминокислоты.
1839-1917
Bernstein J (1868) Über den zeitlichen Verlauf der negative Schwankung des Nervenstroms. Pflügers Arch 1:173–207
Julius Bernstein’s Rheotome: The pin p went through the mercury dish d to complete the stimulation circuit. Pins p 1 and p 2 completed the recording circuit as they moved through q 1 and q 2. Timing depended on the angle between the dishes, and the speed of rotation around the axis x–x http://www.springerimages.com/Images/Biomedicine/1-10.1007_s00424-006-0169-z-3
First recording of action potential from the nerve made by Julius Bernstein; original images were kindly provided by Prof. Bernd Nilius, University of Leuven. a The Bernstein rheotome ; b the recording of an action potential. The τ 1 and τ 2 indicate “sampling” intervals of the rheotome ; the duration m – o is the duration of action potential [“ negative Schwankung ”, and n is the “ sign reversal ” (overshoot)] Bernstein J (1868) Ü ber den zeitlichen Verlauf der negativen Schwankung des Nervenstroms. Pflügers Arch 1:173–207
Потенциал покоя – это разность потенциалов между цитоплазмой клетки и окружающей средой.
Теория Ю. Бернштейна В конце XIX в. Ю. Бернштейн выдвинул гипотезу, согласно которой клеточная мембрана пропускает внутрь клетки ионы К +, и они накапливаются в цитоплазме.
Потенциал покоя – это разность потенциалов между цитоплазмой клетки и окружающей средой. Теория Ю. Бернштейна В конце XIX в. Ю. Бернштейн выдвинул гипотезу, согласно которой клеточная мембрана пропускает внутрь клетки ионы К +, и они накапливаются в цитоплазме. В 1896 г. его ученик Василий Чаговец (1873-1941) подтвердил эту гипотезу и применил электролитическую теорию В. Нернста к биологическим системам и установил калиевую природу потенциала покоя. Расчет величины потенциала покоя по уравнению Нернста для калиевого электрода удовлетворительно совпал с измеренным потенциалом между саркоплазмой мышцы и окружающей средой, который составлял около – 70 мВ.
Теория Ю. Бернштейна была развита Ч.Э. Овертоном, который продемонстрировал роль Na+ в генерации негативного « овершута » ( overshoot, “ negative Schwankung ”) и предположил что процесс возбуждения является результатом обмена ионами Na + и К+ между окружающей средой и саркоплазмой. Кроме того, Ч.Э. Овертон в 1899 г. предположил модель «липоидной мембраны» для клеточных мембран. Это предположение базировалось на том факте, что вещества, растворимые в липидах, лучше проникают через мембрану чем вещества, растворимые в воде.
(A) Diagram of a squid, showing the location of its giant nerve cells. Different colors indicate the neuronal components of the escape circuitry. The first- and second-level neurons originate in the brain, while the third-level neurons are in the stellate ganglion and innervate muscle cells of the mantle. (B) Giant synapses within the stellate ganglion. The second-level neuron forms a series of fingerlike processes, each of which makes an extraordinarilylarge synapse with a single third-level neuron. (C) Structure of a giant axon of a third-level neuron lying within its nerve. The enormous difference in the diameters of a squid giant axon and a mammalian axon are shown below.
Стеклянный микроэлектрод внутри аксона Перфузия аксона
Распределение ионов по обе стороны мембраны
В соответствии с уравнени - ем Нернста десятикратное увеличение внеклеточной концентрации ионов К + (например, от 50 до 500 мМ) приводит к снижению абсо - лютного значения ПП на 58 мВ. Прямая линия на рисунке отражает эту теоретическую зависимость. В действительности в диапазоне концентраций ионов К +, близких к естест - венным условиям (менее 50 мМ), график зависимости отклоняется от линейной функции из-за вклада в ПП ионов Na + и Cl -.
![Зависимость величины потенциала покоя от логарифма наружной концентрации ионов К + ([ K ] out )](https://s1.showslide.ru/s_slide/d8cf805c42db6d7f3f54c26b8a641324/49396140-a099-491d-b59c-33ccf4215612.jpeg "Биологические мембраны")
В состоянии равновесия пассивные Na + - и K + -токи компенсируются активными потоками этих ионов, переносимыми ионным насосом Na + - K + -АТФазой. Липидный бислой мембраны обладает электрической емкостью (C m ). Из-за асимметричности активного транспорта активный ток Na + на 50% превышает активный ток K + (и, соответственно, пассивный ток Na + также на 50% превышает пассивный ток K + ), поскольку Na + - K + -насос за один цикл транспортирует три иона Na + из клетки и два иона K + внутрь клетки.
