BioFine

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.

Также смотрите:

Естественный отбор и модификационная изменчивость
Модификационная изменчивость тесно связана с естественным отбором. Естественный отбор имеет четыре направления, три из которых непосредственно нацелены на выживание организмов с разными формами ненаследственной изменчивости. Это стабилизирующий, движущий и дизруптивны ...

Результаты и обсуждение. Идентификация и характеристика генов биосинтеза эктоина у метилотрофной бактерий Methylarcula marina. Накопление эктоина галотолерантным метилотрофом Methylarcula marina
Метанольные экстракты клеток галотолерантного метилотрофа Methylarcula marina анализировали методом ВЭЖХ на содержание эктоина. При увеличении солености среды в клетках M. marina возрастает содержание эктоина, причем максимальное содержание эктоина наблюдали при 8% Na ...

Введение генов в клетки млекопитающих
Манипуляции с клетками млекопитающих можно разделить на 2 большие группы: эксперименты с соматическим клетками и эксперименты по трансформации половых клеток. В последнем случае конечный результат – получение трансгенных организмов. Характеристика векторов для перено ...