Валлас Б., Фукс П. От нейрона к мозгу / Пер с англ. П. М. Балабана, А. В. Галкина, Р. А. Гиниатуллина, Р. Н. Хазипова, Л. С. Хируга




Скачать 28.87 Mb.
НазваниеВаллас Б., Фукс П. От нейрона к мозгу / Пер с англ. П. М. Балабана, А. В. Галкина, Р. А. Гиниатуллина, Р. Н. Хазипова, Л. С. Хируга
страница15/172
Дата20.09.2012
Размер28.87 Mb.
ТипДокументы
1   ...   11   12   13   14   15   16   17   18   ...   172

§1. Натрий-калиевый обменный насос


Большинство возбудимых клеток имеют потенциал покоя от -90 до -60 мВ. Равновесный потенциал для ионов натрия (ENa) — обычно порядка +50 мВ. Таким образом, существует большой электрохимический потенциал, стремящийся перенести ионы натрия внутрь клетки. Такой перенос осуществляется при помощи многочисленных механизмов. Кроме того, равновесный потенциал для калия более отрицателен, чем потенциал покоя, вследствие чего ионы калия постоянно выводятся из клетки. Для поддержания жизнеспособности клетки необходимо, чтобы ионы натрия непрерывно переносились наружу, а ионы калия внутрь клетки, т, е. против их электрохимических градиентов. Для этой цели в мембране клетки существует натрий-калиевый обменный насос, который при каждом своем цикле переносит три иона натрия наружу и два иона калия внутрь клетки.

Уже ранние эксперименты Ходжкина и Кейнеса 1, 2) на гигантском аксоне кальмара убедительно показали, что источником энергии для этого процесса является расщепление АТФ. В то же время Скау3) продемонстрировал, что АТФаза, изолированная из нерва краба, обладает многими из биохимических характеристик, которые должен иметь натрий--калиевый насос. Действительно, как для работы насоса, так и для активации АТФазы необходимо присутствие ионов натрия и калия. Кроме того, уабаин (ouabain) одинаково блокирует активность насоса и АТФазы.

На основе этих наблюдений был сделан вывод о том, что натрий-калиевая АТФаза и есть натрий-калиевый насос. Она принадлежит к семейству АТФаз Р-типа (P-type), получившему свое название потому, что в процессе работы эти АТФазы образуют фосфорилированную форму. Перенос ионов осуществляется за счет энергии расщепления АТФ. К этому же семейству относятся кальциевые АТФазы, выводящие ионы кальция из цитоплазмы клетки, и протон-калиевые АТФазы, наиболее примечательная функция которых заключается в секреции большого количества кислоты в полость желудка.
Биохимические свойства натрий-калиевой АТФазы

Биохимические свойства натрий-калиевой АТФазы хорошо известны уже на протяжении многих лет4). Стехиометрическое соотношение связываемых катионов совпадает со свойствами транспортного процесса: в среднем, на каждую расщепляемую молекулу АТФ переносится три иона натрия и два иона калия. Избирательность к ионам калия весьма высока: это единственный субстрат, переносимый насосом наружу клетки, и единственный моновалентный катион, не принимаемый насосом для переноса внутрь. Например, литий, аммоний, рубидий, цезий и таллий могут заменить калий во внеклеточном растворе, но не натрий во внутриклеточном. В отсутствии калия насос переносит натрий гораздо менее эффективно (около 10% мощности).

Специфическим блокатором натрий-калиевой транспортной системы являются вещества, используемые при лечении сердечной

72 Раздел II. Передача информации в нервной системе

недостаточности (digitalis glycosides), в особенности уабаин и строфантидин. Блокируя активный транспорт натрия и калия, эти вещества не оказывают воздействия на пассивное перемещение ионов через ионные каналы в мембране.
Экспериментальные доказательства электрогенности насоса

В результате того, что насос переносит за один цикл неодинаковое количество ионов натрия и калия, происходит суммарный перенос через мембрану одного положительного заряда. Поэтому насос называется электрогенным. Это свойство насоса было протестировано экспериментально на аксоне кальмара 1· 2· 5), а также Томасом на нейронах улитки 6, 7). Нейроны улитки достаточно велики для того, чтобы можно было ввести несколько микроэлектродов в цитоплазму, не повреждая клетки. Для исследования взаимосвязи между внутриклеточной концентрацией натрия, током через насос и мембранным потенциалом Томас использовал две микропипетки для введения ионов в клетку, одна из которых была заполнена ацетатом натрия, а другая ацетатом лития (рис. 4.1 А). Третья пипетка использовалась в качестве электрода для регистрации мембранного потенциала. Четвертая пипетка служила токовым электродом, обеспечивающим режим фиксации потенциала (voltage--clamp; глава 6). Еще один электрод, сделанный из натрий-чувствительного стекла, позволял измерять внутриклеточную концентрацию натрия. Для инъекции натрия, на электрод, заполненный ионами натрия, подавалось положительное напряжение по отношению к электроду, содержащему ионы лития. Таким образом, весь ток в инъекционной системе протекал между двумя пипетками внутри клетки, а не через клеточную мембрану.

Результат опыта показан на рис. 4.1 В. После кратковременной инъекции работа насоса активизировалась и мембрана клетки гиперполяризовалась приблизительно на 20 мВ. По мере того, как избыточное количество натрия выводилось из клетки, мембранный потенциал постепенно восстанавливался, что занимало несколько минут. Инъекция лития, произведенная посредством приложения положительного потенциала к литиевой пипетке, не привела к гиперполяризации клетки.

Можно выделить несколько фактов, подтверждающих участие насоса в изменении мембранного потенциала. Так, в присутствии блокатора транспорта (уабаина) гиперполяризация мембраны была значительно менее выраженной или полностью устранялась (рис. 4.1C). Кроме того, устранение калия из внеклеточного раствора приводило к исчезновению влияния инъекции натрия на мембранный потенциал; восстановление уровня внеклеточного калия после инъекции натрия вызывало немедленную гиперполяризацию (рис. 4.1 D).

Количественные оценки скорости работы насоса и соотношения обмениваемых ионов были получены в опытах с фиксацией потенциала. Этот метод (описанный в главе 6) позволяет измерять ток, протекающий через мембрану, в то время как мембранный потенциал поддерживается на неизменном уровне. Концентрация натрия также измерялась в ходе этого опыта. Инъекция натрия вызвала кратковременное повышение его внутриклеточной концентрации, которое сопровождалось выходящим током. Длительность и амплитуда этого выходящего тока зависели от изменения концентрации натрия внутри клетки (рис.4.1E). Величина суммарного заряда, перенесенного наружу клетки, была подсчитана на основании измерения интеграла мембранного тока (то есть площади под кривой тока). Суммарный заряд составил приблизительно одну треть заряда ионов натрия, инъецированных в клетку. Эти данные подтверждают представление о том, что на каждые три иона натрия, выводимого насосом из клетки, приходится два иона калия, переносимые внутрь.
Механизм переноса ионов

Рис. 4.2 иллюстрирует последовательность событий, лежащих в основе переноса ионов натрий-калиевым насосом. Внутри канало-подобной структуры насоса расположены места связывания калия и натрия, которые поочередно вступают в контакт с внутриклеточной и внеклеточной средами. Циклическое изменение конформации насоса происходит за счет фосфорилирования и дефосфорилирования его белковой молекулы. Этот процесс сопровождается изменением сродства мест связывания к соответствующим ионам. Места связывания, направленные внутрь клетки, имеют низкое сродство к калию и высокое к натрию (рис. 4.2А). Связывание трех ионов натрия ведет к изменению конформации белка, последующему связыванию АТФ и фосфорилированию фермента (рис. 4.2В).

Глава 4. Транспорт через мембрану клетки 73

Рис. 4.1. Влияние инъекции натрия в нейрон улитки на внутриклеточную концентрацию натрия, мембранный потенциал и ток через мембрану. (А) Два микрозлектрода используются для инъекции натрия или лития. Натрий-чувствительный электрод измеряет концентрацию натрия внутри клетки. Еще один электрод используется либо для измерения мембранного потенциала, либо, в паре с токовым электродом, для фиксации потенциала на определенном уровне с целью измерения тока через мембрану (показан на рис. 4.1Е)   (В) Гиперполяризация мембраны вследствие инъекции натрия. (Небольшие кратковременные выбросы на кривой представляют собой спонтанные потенциалы действия, размер которых преуменьшен за счет инертности самописца.) Инъекция лития не влечет за собой гиперполяризации. (С) После подачи блокатора натриевых насосов уабаина (20 г/мл) инъекция натрил вызывает значительно менее выраженную гиперполяризацию. (D) Удаление калия из внеклеточной среды блокирует насос, поэтому инъекция натрия не вызывает гиперполяризации до тех пор, пока уровень калия не восстанавливается. (Е) Измерение мембранного тока при потенциале, фиксированном на —47 мВ В результате инъекции натрия его внутриклеточная концентрация повышается, и через мембрану протекает выходящий ток. Выбросы на кривой натриевой концентрации представляют собой артефакты инъекционной системы; временной ход изменений этой концентрации показан пунктиром.

Fig. 4.1. Effects of Sodium Injection into a snail neuron on intracellular sodium concentration, membrane potential, and membrane current. (A) Two micropipettes are used to inject either sodium or lithium. A sodium-sensitive electrode measures the intracellular sodium concentration. Another electrode measures membrane potential or, alternatively, is used in combination with a current-passing electrode to hold the membrane potential steady while measuring membrane current (shown in E). (B) Hyperpolar-ization of the membrane following intracellular injection of sodium. (The small rapid deflections are spontaneously occurring action potentials, reduced in size because of the poor frequency response of the pen recorder.) Injection of lithium does not produce hyperpolarization. (C) After application of ouabain (20 g/ml), which blocks the sodium pump, hyperpolarization by sodium injection is greatly reduced. (D) Removal of potassium from the extracellular solution blocks the pump, so sodium injection produces no hyperpolarization until potassium is restored. (E) Measurements of membrane current with the membrane potential clamped at -47 mV. Sodium injection results in an increase in intracellular sodium concentration, and an outward current across the cell membrane. Sharp deflections on the sodium concentration record are artifacts from the injection system; the time course of the concentration change is indicated by the dashed line. (After Thomas, 1969.)



Фосфорилирование приводит к дальнейшему изменению конформации, в результате которого места связывания ионов оказываются

в контакте с внеклеточной средой (рис.4.2С). В этом положении места связывания обладают низким сродством к натрию и вы-

74 Раздел II. Передача информации в нервной системе



Рис. 4.2. Перенос ионов Na-K АТФазой. (А)   Посадочные  места, направленные внутрь клетки, обладают высоким сродством к натрию и низким — к калию. Ионы калия, до этого момента связанные с молекулой АТФазы, высвобождаются, в то время как ионы натрия связываются с ней. (В) Вслед за связыванием натрия происходит связывание молекулы АТФ и фосфорилирование фермента. (С) В результате фосфорилирования в структуре фермента происходят изменения, приводящие к выдвижению посадочных мест во внеклеточную среду. (D) В таком положении посадочные места обладают низким сродством к натрию и высоким — к калию, поэтому они связывают два иона калия. (Е) При связывании калия АТФаза дефосфори-лируется. (Е) Возврат в первоначальное состояние.

Fig. 4.2. Ion Translocation by Na-K ATPase. (A) Inward-facing binding sites have a high affinity for sodium and a low affinity for potassium. Previously bound potassium ions are released and three sodium ions are bound. (B) Sodium binding is followed by ATP binding and phosphorylation of the enzyme. (C) The phosphorylated enzyme undergoes a conformational change such that its binding sites face the extracellular solution. (0) Outward-facing sites have a low affinity for sodium and high affinity for potassium, and they bind two potassium ions. (E) Potassium binding leads to dephosphorylation. (F) Dephosphorylation is followed by a return to the starting conformation.

соким к калию, поэтому ионы калия замещают два иона натрия (рис. 4.2D). Связывание калия вызывает дефосфорилирование фермента (рис. 4.2Е) и возвращает насос в первоначальное положение (рис. 4.2F). Ионы калия высвобождаются во внутриклеточное пространство.
1   ...   11   12   13   14   15   16   17   18   ...   172

Похожие:

Валлас Б., Фукс П. От нейрона к мозгу / Пер с англ. П. М. Балабана, А. В. Галкина, Р. А. Гиниатуллина, Р. Н. Хазипова, Л. С. Хируга iconВаллас Б., Фукс П. От нейрона к мозгу / Пер с англ. П. М. Балабана, А. В. Галкина, Р. А. Гиниатуллина, Р. Н. Хазипова, Л. С. Хируга
Настоящее издание осуществлено при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект №02-04-62007)
Валлас Б., Фукс П. От нейрона к мозгу / Пер с англ. П. М. Балабана, А. В. Галкина, Р. А. Гиниатуллина, Р. Н. Хазипова, Л. С. Хируга iconБоггс У., Боггс М. Uml и Rational Rose/ Пер с англ
Бадд Т. Объектно-ориентированное программирование в действии./ Пер с англ. – Спб.: Питер, 1997
Валлас Б., Фукс П. От нейрона к мозгу / Пер с англ. П. М. Балабана, А. В. Галкина, Р. А. Гиниатуллина, Р. Н. Хазипова, Л. С. Хируга iconДжеффри М. Медицина неотложных состояний: пер с англ. / Дж. М. Катэрино, С. Кахан; пер с англ под ред. Д. А. Струтынского
...
Валлас Б., Фукс П. От нейрона к мозгу / Пер с англ. П. М. Балабана, А. В. Галкина, Р. А. Гиниатуллина, Р. Н. Хазипова, Л. С. Хируга iconАнастази А. А 64 Дифференциальная психология. Индивидуальные и групповые разли- чия в поведении /Пер с англ
Пер с англ. — М.: Апрель Пресс, Изд-во эксмо-пресс, 2001. — 752 с. (Серия «Кафедра психологии»)
Валлас Б., Фукс П. От нейрона к мозгу / Пер с англ. П. М. Балабана, А. В. Галкина, Р. А. Гиниатуллина, Р. Н. Хазипова, Л. С. Хируга iconАхо А. Компиляторы: Принципы, технологии, инструменты: Пер с англ./ А. Ахо, Р. Сети, Д. Ульман
Учебный курс mcse: Пер с англ. 2-е изд., перераб. М.: Рус. Редакция, 2001. 672 с. Isbn 5-7502-0183-Х: 35,00 грн
Валлас Б., Фукс П. От нейрона к мозгу / Пер с англ. П. М. Балабана, А. В. Галкина, Р. А. Гиниатуллина, Р. Н. Хазипова, Л. С. Хируга iconМорган М.; Пер с англ. А. Дикарёв, О. Сиротенко
Послание с того края Земли / Морган М.; Пер с англ. А. Дикарёв, О. Сиротенко. М.: Ид «Гаятри», 2005. 152 с.: (Терра Мистика)
Валлас Б., Фукс П. От нейрона к мозгу / Пер с англ. П. М. Балабана, А. В. Галкина, Р. А. Гиниатуллина, Р. Н. Хазипова, Л. С. Хируга iconНовые поступления литературы (июль сентябрь 2002) математика инв. 62350 в 161. 8 Б 93
Одномерные вариационные задачи. Введение / Пер с англ. Рожковская Т. Н.; Ред пер. Уральцева Н. Н. Новосибирск: Научная книга, 2002....
Валлас Б., Фукс П. От нейрона к мозгу / Пер с англ. П. М. Балабана, А. В. Галкина, Р. А. Гиниатуллина, Р. Н. Хазипова, Л. С. Хируга iconБир С. Мозг фирмы: Пер с англ
Бир С. Мозг фирмы: Пер с англ. М.: Радио и связь, 1993. — 416 с.: ил. Isbn 5-256-00426-3
Валлас Б., Фукс П. От нейрона к мозгу / Пер с англ. П. М. Балабана, А. В. Галкина, Р. А. Гиниатуллина, Р. Н. Хазипова, Л. С. Хируга iconЦитренбаум Ч., Кинг М., Коэн У. Ц 59 Гипнотерапия вредных привычек /Пер с англ. Л. В. Ерашовой
Ц 59 Гипнотерапия вредных привычек/Пер с англ. Л. В. Ерашовой. — М.: Не­зави­симая фирма “Класс”, 1998. — 192 с. — (Библиотека психологии...
Валлас Б., Фукс П. От нейрона к мозгу / Пер с англ. П. М. Балабана, А. В. Галкина, Р. А. Гиниатуллина, Р. Н. Хазипова, Л. С. Хируга iconЛитература Мэдник С., Донован Дж. Операционные системы: Пер с англ. М. Мир, 1987. 792с
Дейтел Г. Введение в операционные системы: Пер с англ. М.: Мир, 1987. т 359с., т 398с
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


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