Нейро-биология Том 1 - Шеперд Г.
Скачать (прямая ссылка):
6. Мембранный потенциал
Это свидетельствует о том, что АТР доставляет энергию, необходимую для выведения этого иона через мембрану.
В дальнейшем были получены прямые доказательства того, что мембранные насосы создают ток через мембрану (так называемый мембранный ток). Для выявления подобных токов в электрофизиологии используется метод фиксации потенциала. С помощью этого метода английский ученый Р. Томас (R. Thomas) в 1968 г. поставил изящный опыт, в котором были выявлены токи, создаваемые ионными насосами. В этом опыте в гигантские клетки улитки Helix вводились четыре электрода, один из которых был двуствольным. Схема установки изображена на рис. 6.9. Электрод 1 использовался для измерения мембранного потенциала. Электрод 2 служил для фиксации мембранного потенциала на определенном уровне и записи тока, необходимого для поддержания этого уровня. Через электрод 3 в клетку вводился Na+, а для того, чтобы подаваемый через этот электрод ток не проходил через мембрану, в цепь электрода 3 включался электрод 4, через который вводился К+. №+-чувствительный электрод 5 позволял измерять концентрацию Na+ в клетке. Из кривых, приведенных на рис. 6.9, видно, что после введения Na+ для удержания мембранного потенциала на фиксированном уровне необходимо было пропускать входящий ток. Значит, в этот момент наблюдался равный по величине, но противоположный по направлению выходящий ток. Такой ток, связанный с повышением концентрации Na+, был обусловлен действием ионного насоса. Суммарный выходящий ток соответствовал переносу лишь приблизительно 7з общего количества введенных ионов Na+, сви-
2 мМ CN
Инъекции АТР 1 2
Рис. 6.8. Выход меченого Na+ из аксона кальмара, его угнетение метаболическим ядом (цианидом, CN) и влияние на него АТР (Caldwell et al.» 1961).
144
1L Клеточные механизмы
3. Введение Na+
J
Рис. 6.9. Схема экспериментальной установки для исследовании нейрона улитки методом фиксации потенциала. В правой части рисунка приведены следующие кривые. I. Фиксированный мембранный потенциал, записанный микроэлектродом 1. II. Инъекция Na+, зарегистрированная микроэлектродом 5. III. Изменения тока фиксации, вызванные активностью Na+-Hacoca (ток фиксации подавался через микроэлектрод 2). Подробнее метод фиксации потенциала описан в гл. 7. (Thomas, 1972 с изменениями.)
детельствуя о том, что при закачивании в клетку двух ионов К4* насос удаляет из нее три иона Na+.
Общая модель, объясняющая работу мембранных ионных насосов, схематически показана на рис. 6.10. Видно, что активный перенос ионов происходит в три этапа. Сначала ион соединяется с молекулой переносчика, образуя комплекс ион — переносчик. Затем этот комплекс проходит через мембрану или переносит через нее заряд. Наконец, ион освобождается на противоположной стороне мембраны. Одновременно происходит аналогичный процесс, переносящий ионы в противоположном направлении. Из всех систем активного транспорта лучше всего изучен насос, переносящий через мембрану Na+ и К4* против концентрационных градиентов этих ионов. Источником энергии для работы этих насосов служит расщепление АТР АТРазой. Этот фермент носит название Na+, К+-зависимой АТ Разы. Опытным путем было показано, что он одновременно выполняет функцию ионного переносчика. Он представляет собой крупный белок, связанный с мембраной и состоящий из двух полипептидных компонентов; молекулярная масса каждого из этих компонентов составляет 100 000. Молекула этого белка пронизывает мембрану насквозь прикрепляясь к ее наружной стороне небольшими гликопротеиновыми цепями. С внутренней ‘ стороны мембраны происходит преимущественное связывание Na+ и АТР, а с наружной — К+ и различных ингибиторов ти-
Я. Мембранный потенциал
145
Рис. 6.10. Схема активного переноса ионов через клеточную мембрану (Stein, 1980).
па гликозидов (рис. 6.10). Благодаря этому обеспечивается соответствующее направление переноса ионов (хотя при существенном изменении трансмембранных концентрационных градиентов этих ионов направление их транспорта может изменяться).
Метаболический насос, осуществляющий обмен одного иона Na+ на один ион К* (именно такой насос изображен на рис. 6.10), поддерживает концентрационные градиенты ионов по обе стороны мембраны, но не вносит вклада в создание мембранного потенциала. Однако если обмен ионов не осуществляется в пропорции 1 : 1, то такой насос участвует в формировании потенциала покоя. Подобные ионные насосы называются электрогенными. В эксперименте, представленном на рис. 6.9, исследовался именно электрогенный насос, поскольку Na/K-обмен происходит в пропорции 3 : 2. В этом опыте насос активировался лишь после возбуждения. Однако в настоящее время выявлено множество клеток, мембранный потенциал которых даже в состоянии покоя в некоторой степени создается электрогенными насосами. Большинство подобных работ было проведено на крупных клетках беспозвоночных, в частности моллюсков. В настоящее время выявлены и изучены не только натриевые и калиевые, но также кальциевые и хлоридные насосы. Роль Са2+ в жизнедеятельности клетки чрезвычайно велика (мы рассмотрим функции этого иона в дальнейшем).
