Лекция 5, Биофизика транспортных процессов Перейдем теперь к рассмотрению некоторых направлений клеточной биофизики и начнем с биофизики транспортных процессов




Скачать 301.09 Kb.
НазваниеЛекция 5, Биофизика транспортных процессов Перейдем теперь к рассмотрению некоторых направлений клеточной биофизики и начнем с биофизики транспортных процессов
страница3/4
Дата05.09.2012
Размер301.09 Kb.
ТипЛекция
1   2   3   4
Электродиффузия

Основное отличие электродиффузии от обычной диффузии – это учет влияния электрического потенциала на диффузионный процесс. Электродиффузия может быть описана уравнением Нернста-Планка:



где u – подвижность иона и т.д. Для концентрации, его можно переписать как:



Однако, в общем случае, при решении уравнения Нернста-Планка необходимо учитывать тот факт, что изменения концентрации сопровождаются изменением профиля потенциала в системе. Т.е. одновременно с решением уравнения Нернста-Планка в системе необходимо решить равнение Пуассона

Решение такой системы достаточно сложная задача, поэтому в ряде случаев возможны упрощения, связанные либо с допущением о постоянстве распределения концентрации dc/dx=const, либо с допущением о постоянстве электрического поля – dφ/dx=const.

Именно второе используется в подходе Гольдмана, развитым Ходжкиным и Катцем. Приняв это допущение, мы получаем для потока:

, где hррррррр=Δx – например, толщина мембраны. Если принять, что J=const, т.е. что достигнуто стационарное распределение ионов в мембране, то можно получить:



Решая поучившееся уравнение, можно найти:



где c’ и c’’ – концентрации ионов в мембране с внешней и внутренней сторон. Удобно перейти от концентраций ионов в мембране, к их концентрациям в водной фазе, учитывая, что c’’=γcin, c’=γcout.

В этом случае мы можем перейти к уравнению Гольдмана-Хаджкина-Катца:



в котором P=uTγ/h – проницаемость мембраны для данного иона.

Уравнение (XIX.2.4), выведенное Д. Е. Гольдманом (1943) и дополненное А. Ходжкиным и Б. Катцем (1949), позволяет рассчитать пассивный поток иона, если известны его концентрация в растворах по обе стороны мембраны, разность потенциалов на мембране и проницаемость мембраны для данного иона. Для оценки коэффициента проницаемости мембраны необходимо с помощью радиоактивной метки определить односторонние потоки и суммарный поток иона, и также убедиться в том, что в транспорте иона не принимают участия системы активного транспорта. На мембранах растительных клеток значения коэффициентов проницаемости для К+ варьируют в пределах от 10-8 до 10-6 см/с; значения РNa обычно на порядок ниже значений Рк, а значения PCl не превышают 10-8 см/с.

Понятие ионной проницаемости следует отличать от ионной проводимости. Эти два свойства тесно связаны между собой, и фактически изменения проницаемости всегда сопровождаются изменениями проводимости. Проницаемость (Р) является свойством мембраны и в первом приближении не зависит от содержания ионов в окружающих растворах. Проводимость мембраны (g) характеризует изменение потока ионов j при небольших сдвигах мембранного потенциала:



Если концентрации ионов по обе стороны мембраны одинаковы, то проводимость мембраны по одновалентному иону / определяется простым уравнением



Суммарная проводимость мембраны (величина, обратная электрическому сопротивлению мембраны) равна сумме проводимостей мембраны для отдельных ионов и определяется как изменение суммарного электрического тока (/) через мембрану в ответ на небольшое смещение мембранного потенциала:



Уравнение Гольдмана предсказывает нелинейную зависимость трансмембранного потока ионов от разности потенциалов на мембране. При больших положительных и больших отрицательных потенциалах поток линейно зависит от разности потенциалов, однако коэффициенты пропорциональности различны. При φ→-∞ и φ→+∞ зависимости ионного тока от потенциала аппроксимируются. Асимптотами J = PcozFφ/(RT) и J = PcizFφ/(RT) соответственно (РИС). Нелинейность характеристики тем больше, чем больше перепад концентраций в растворах справа и слева от мембраны; зависимость линейна, если концентрации иона в обоих растворах одинаковы. В равновесии, когда ионный ток равен нулю, из уравнения (XIX.2.4) следует, что со–сi*exp[zFφ/(RT)] = 0 и соответственно равновесное значение φ=[RT/(zF)]ln(co/ci) находится как точка пересечения кривых с осью потенциала. Суммарная вольт-амперная характеристика мембраны совпадает по форме с характеристикой ток – напряжение для того вида иона, который вносит основной вклад в проводимость мембраны.

Причины нелинейности вольт-амперной характеристики при резком отличии ионных концентраций по обе стороны мембраны вызваны влиянием электрического поля на профиль концентрации ионов в мембране (РИС). При наложении электрического поля различной ориентации концентрация токопереносящих ионов в мембране либо повышается, либо уменьшается, что приводит соответственно к повышению или снижению электропроводности мембраны – эффект выпрямления.

Опираясь на полученное выражение, можно, в частности, найти значение, которое принимает мембранный потенциал. Если принять, что вклад в мембранный потенциал вносят лишь ионы натрия, калия и хлора, то условия возникновения стационарного значения мембранного потенциала на мембране – JK+JNa+JCl=0, опираясь на это условие, можно найти:



Из полученного выражения, в частности, следует, что наибольшее влияние на мембранный потенциал оказывает тот ион, который обладает самым высоким коэффициентом проницаемости, что и наблюдается в экспериментах. Отметим, что полученное выражение удовлетворительно описывает экспериментальные зависимости потенциала от ионного состава среды при условии, что интервал концентраций не слишком широк. Это указывает на серьезные ограничения электродиффузионной теории для описания электрических характеристик живой клетки.

Коснемся еще одного вопроса, связанного с критериями пассивного транспорта для ионов – а именно, с соотношениями Усилка-Теорелла. Так если в уравнении Гольдмана-Ходжкина-Катца выделить два потока – наружу (jо) и внутрь (ji), то можно записать:



Как видно из приведенных уравнений, входящий поток линейно зависит от концентраций иона в наружном растворе и не зависит от концентрации во внутренней среде. В свою очередь, выходящий поток зависит только от концентрации во внутреннем растворе. Это и означает, что входящий и выходящий потоки в приближении постоянного поля являются независимыми.

Отношение таких потоков будет:



Выполнение уравнения Уссинга — Теорелла является критерием пассивного транспорта, при котором поток иона обусловлен только градиентом концентраций и действием электрического поля. Отклонение от такого равенства может указывать на участие системы активного транспорта в переносе ионов через мембрану или быть следствием нарушения независимости ионных потоков, например при диффузии через узкие каналы в мембране. В этом случае обычное электродиффузионное описание; основанное на представлении о диффузии точечных невзаимодействующих частиц, теряет силу.

Транспорт ионов через каналы

Полученное на основе анализа процессов электродиффузии уравнение Гольдмана-Ходжкна-Катца для потока широко используют не только для описания пассивных потоков ионов через бислой, но и для описания транспорта ионов через каналы. Однако, строго говоря, это не вполне корректно, так как канальный транспорт имеет ряд особенностей, специфичных по отношению к электродиффузии. Так для канального транспорта характерна высокая специфичность, регулируемость, возникновение эффектов насыщения при высоких концентрациях ионов. Кроме того, скорость транспорта ионов через канал значительно выше, нежели транспорт ионов за сет диффузии в водной среде. Указанные особенности сближают канальный транспорт, с ферментативными процессами, хотя есть и отличия – например, меньшая температурная чувствительность. Таким образом, вопрос о канальном транспорте заслуживает отдельного рассмотрения.

Ионные каналы представляют собой интегральные белки, функция которых - обеспечение ускорения и регуляции транспорта ионов через мембрану. В общем случае, ионный канал включает в себя следующие структуры (РИС): ионную пору, селективный фильтр, воротный механизм, сенсор.

Ионная пора образуется на основе интегральных белков, которые несут на себе как гидрофильные, так и гидрофобные группы, при этом гидрофобные группы образуют внешнюю поверхность поры, т.е. поверхность, взаимодействующую с неполярным компонентом бислоя, а гидрофильные – внутреннюю поверхность, с которой происходит взаимодействие транспортирующегося иона. Именно ионная пора обеспечивает транспорт ионов через канал. Следует отметить, что транспорт иона через пору не является простой диффузией, значительно превосходя ее по скорости.

Селективный фильтр – это структура, обеспечивающая специфичность транспорта ионов каналом. При этом селективные свойства канала могут реализовываться разными путями. Например, существуют каналы слабо специфичные к типу иона, но обладающие высокой специфичностью к его заряду. Это, например, максикатионные каналы. В этом случае, «работа» селективного фильтра связана с наличием на нем заряженных группировок. Для более «тонкой» дифференциации ионов может быть использован, например, критерий размера – в этом случае селективность определяется размерами отверстия в селективном фильтре.

Воротный механизм – это структура, позволяющая каналу находиться в двух состояниях: открытом и закрытом. Функционирование воротного механизма связано, по-видимому, с изменениями конформации ионного канала и – возможно – с физическим закрытием ионной поры.

Сенсор – это структура, регулирующая работу воротного механизма, т.е. обеспечивающая чувствительность ионного канала к действию тех или иных регулирующих факторов, например, градиенту электрического поля для потенциал-зависимых ионных каналов, связыванию с определенным химическим агентом – для лиганд-зависимых или изменению механического напряжения мембраны – для механочувствительных.

Следует отметить, что конкретный тип ионных каналов может не иметь всех описанных структур. Так, например, простейшую структуру канального типа представляют собой неспецифичные ионные поры, которые лишены селективного фильтра, воротного механизма и сенсора, т.е. – по сути – представляют собой просто «отверстие» в мембране. Однако, свойства таких пор отличаются от свойств каналов и движение ионов через такие структуры может быть описано также, как простая электродиффузия.

Рассмотрим некоторые общие принципы, которые применяются в настоящее время при описании канального транспорта:

1. Считается, что при поступлении в канал ионы, происходит замещение водородных связей с молекулами воды в гидратной оболочке на связи с полярными группами аминокислот на внутренней поверхности ионной поры. Благодаря этому переход иона в канал, становится возможным с энергетической точки зрения.

2. Считается, что взаимодействие между ионами и молекулярными группами внутри ионной поры может быть адекватно описано как определенный профиль максимумов и минимумов потенциальной энергии при движении иона вдоль канала

3. Время пребывания иона в потенциальной яме много больше времени перехода его через барьер, т.е. переход между потенциальными ямами можно рассматривать как «мгновенный». Также полагается, что в одной потенциальной яме у одного канала всегда находится только один ион, так как попаданию туда второго иона будут мешать электростатические взаимодействия.

4. Перескоки между состояниями канала определяются тепловыми флуктуациями, а вероятность такого перехода зависит от электрического потенциала на мембране.

Наиболее распространенным энергетическим профилем для ионных каналов является, по-видимому, профиль с тремя барьерами и двумя минимумами потенциальной энергии (РИС). В этом случае канал имеет два центра связывания ионов, расположенные на разных сторонах мембраны. Боковые потенциальные барьеры связаны, по-видимому, с затратами энергии на дегидратацию иона, с последующей компенсацией ее за счет связывания с гидрофильными структурами внутри ионной поры. Центральный барьер связан с собственно переносом иона через канал, в частности – он может зависеть от ширины канала (например, в зоне селективного фильтра) и от других характеристик канала. Наложение на мембрану потенциала – модулирует профиль потенциала. Итоговую картину можно найти на основе простой суперпозиции. Так, если принять что изменение потенциала внутри мембраны имеет линейный характер (РИС), а обычно так и считается, то общий профиль потенциала можно найти просто как сумму собственного профиля канала и профиля внешнего потенциала (РИС).

Соотношение величин барьеров может различаться (РИС). Так если величина боковых потенциальных барьеров мала по сравнению с величиной центрального, то такой канал будет более чувствительным к изменениям градиента электрического потенциала на мембране, так как именно на центральный участок приходится наибольшая доля электрического потенциала. С другой стороны – в обратной ситуации, зависимость от потенциала будет менее выражена, т.к. в этом случае «узким местом» будет не транспорт иона через мембрану, а его связывание с внутренней или внешней ее стороны.

Коснемся теперь вопроса – как описать ионный транспорт через канал? Сделаем это на примере канала с тремя барьерами.

Прежде все определим – сколько состояний может иметь такой канал. Исходя из уже приведенного допущения, что в одной потенциальной яме не может быть больше одного иона, получим, что таки состояний должно быть не более четырех (00, 10, 01, 11). Если нарисовать такие состояния и переходы между ними в виде схемы (РИС), то можно видеть, что в системе будет 3 пары (прямой и обратный) переходов, которые соответствуют переходам в прямом и обратном направлении через каждый из трех барьеров.

В общем случае, такие константы скорости можно для некоторого (симметричного) барьера описать как:





где k0 – константа скорости транспорта ионов через этот барьер, EB – величина барьера, а – доля мембранного потенциала, приходящаяся на этот барьер.

Применив полученные уравнения для каждого из барьеров канала, можно записать следующую систему уравнений:









Здесь 1, 2, 3 – соответствуют левому, центральному и правому барьерам на энергетическом профиле канала, константы описываются приведенными выше уравнениями.

Найдя стационарное решение данной системы уравнений и рассчитав на основе полученных значений концентраций стационарный поток ионов, можно получить общее уравнение потока ионов через канал с тремя энергетическими барьерами. В том случае, когда центральный барьер существенно выше боковых или наоборот – описание ионного канала можно существенно упростить.

Так в первом, наиболее интересном для нас случае, поток через него может быть задан формулой:



где I – концентрация ионов, а и - потенциал-зависиые константы.

Интересно отметить, что если разделить суммарный поток J на прямой и обратный (J+ и J-), то их отношение также будет подчинятся соотношениям Усилка-Теоррелла. Этот эффект является следствием универсальности данных соотношений, того, что они опираются не на конкретную форму транспортного процесса, а на закон сохранения энергии. Таким образом, полученный нами вывод подтверждает применимость критерия Усилка-Теорелла и для канального транспорта.

Следующее важное свойство, вытекающее из полученного описания – это способность каналов к насыщению и даже ингибированию активности при высоких концентрациях субстрата. Действительно, из полученной формулы можно видеть, что при возрастании концентрации субстрата с одной стороны мембраны к бесконечности скорость переноса не будет возрастать в бесконечность, как это следовало бы, например, из уравнения Гольдмана-Ходжкина-Катца, но достигнет некоторого стационарного уровня.

С другой стороны, если мы будем пропорционально повышать концентрации ионов с обеих сторон мембраны, то зависимость для потока будет еще более сложной (РИС). На начальном этапе будет наблюдаться возрастание потока, что обусловлено увеличением абсолютной величины разности концентраций между внутренней и внешней сторонами мембраны. Однако при дальнейшем повышении зависимость примет противоположенный характер – поток ионов будет снижаться при росте их концентрации. Последний эффект связан с тем, что при высокой концентрации ионов по обе стороны мембраны повышается вероятность перехода канала в состояние [1,1], которое исходя из описанных выше свойств канального транспорта будет неспособно к переносу ионов.

Таким образом, приведенное теоретическое описание воспроизводит важные эффекты, наблюдающиеся на реальных каналах – насыщение, блокировка субстратом, соблюдение соотношений Усилка-Теорелла – подтверждает верность принятых в основе такого теоретического описания допущений.

Однако следует отметить, что реальная картина, вероятно, более сложна, нежели описанная. Так, в частности, представляется весьма перспективным подход, в рамках которого ионный канал описывается как фермент, причем изменения положения иона в трансмембранном направлении понимаются как конформационные переходы в таком ферменте.

Рассмотрим подробнее некоторые примеры ионных каналов нервных клеток.

1   2   3   4

Похожие:

Лекция 5, Биофизика транспортных процессов Перейдем теперь к рассмотрению некоторых направлений клеточной биофизики и начнем с биофизики транспортных процессов iconЛекция 7 Биофизика процессов биоэлектрогенеза На сегодняшней лекции мы рассмотрим следующий раздел биофизики клеточных процессов биофизику процессов биоэлектрогенеза
На сегодняшней лекции мы рассмотрим следующий раздел биофизики клеточных процессов – биофизику процессов биоэлектрогенеза
Лекция 5, Биофизика транспортных процессов Перейдем теперь к рассмотрению некоторых направлений клеточной биофизики и начнем с биофизики транспортных процессов iconАннотация программы учебной дисциплины
Целями и задачами дисциплины является формирование знаний в области молекулярной биофизики и биофизики клеточных процессов
Лекция 5, Биофизика транспортных процессов Перейдем теперь к рассмотрению некоторых направлений клеточной биофизики и начнем с биофизики транспортных процессов iconСтруктура и содержание программы Структура деятельности студентов Контролирующие материалы. Рейтинг по курсу «Биофизика» Литература
Предмет и задачи биофизики. Биологические и физические про­цессы и закономерности в живых системах. Методологические вопросы биофизики....
Лекция 5, Биофизика транспортных процессов Перейдем теперь к рассмотрению некоторых направлений клеточной биофизики и начнем с биофизики транспортных процессов iconПрограмма-минимум кандидатского экзамена по специальности 03. 00. 02 «Биофизика» по биологическим и медицинским наукам
В основу настоящей программы положены следующие разделы: теоретическая биофизика; молекулярная биофизика; биофизика клеточных и мембранных...
Лекция 5, Биофизика транспортных процессов Перейдем теперь к рассмотрению некоторых направлений клеточной биофизики и начнем с биофизики транспортных процессов iconМеждународная школа-конференция «Биофизика сложных систем. Анализ и моделирование»
Ий центр биологических исследований ран возрождают традиции проведения регулярных школ-конференций по биофизике. Конференции посвящаются...
Лекция 5, Биофизика транспортных процессов Перейдем теперь к рассмотрению некоторых направлений клеточной биофизики и начнем с биофизики транспортных процессов iconМеханизмы блокады каналов глутаматных ионотропных рецепторов ampa и nmda типов органическими катионами
Работа выполнена в лаборатории биофизики синаптических процессов Учреждения Российской академии наук Института эволюционной физиологии...
Лекция 5, Биофизика транспортных процессов Перейдем теперь к рассмотрению некоторых направлений клеточной биофизики и начнем с биофизики транспортных процессов iconОсновная образовательная программа подготовки бакалавра 3 > Нормативные документы для разработки программы подготовки бакалавра направлению подготовки 190700. 62 «Технология транспортных процессов»
Нормативные документы для разработки программы подготовки бакалавра направлению подготовки 190700. 62 «Технология транспортных процессов»...
Лекция 5, Биофизика транспортных процессов Перейдем теперь к рассмотрению некоторых направлений клеточной биофизики и начнем с биофизики транспортных процессов iconОсновная образовательная программа подготовки бакалавра 3 > Нормативные документы для разработки программы подготовки бакалавра направлению подготовки 190700. 62 «Технология транспортных процессов»
Нормативные документы для разработки программы подготовки бакалавра направлению подготовки 190700. 62 «Технология транспортных процессов»...
Лекция 5, Биофизика транспортных процессов Перейдем теперь к рассмотрению некоторых направлений клеточной биофизики и начнем с биофизики транспортных процессов iconПрограмма междисциплинарного экзамена для поступления в магистратуру по направлению 201000. 68 «Биотехнические системы и технологии» по кафедре «Биотехнические и медицинские аппараты и системы»
Биофизика как квинтэссенция естественных наук: физики, химии, биологии, математики. Структура биофизики
Лекция 5, Биофизика транспортных процессов Перейдем теперь к рассмотрению некоторых направлений клеточной биофизики и начнем с биофизики транспортных процессов iconПрограмма вступительных испытаний в магистратуру по направлению 190700 – Технология транспортных процессов
Основные проблемы и пути формирования государственной системы управления безопасностью движения
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib.znate.ru 2014
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница