Натрієво-калієвий насос або помпа
Однак пасивні механізми не дозволяють зрозуміти причини збереження іонної асиметрії протягом усього життя клітини, крім того, було відмічено, що багато речовин проходять через мембрану проти градієнта концентрації. Природно, що цей процес протікає з витратою енергії. Тому, такий механізм перенесення називається активним. Активний перенос завжди є виборчим. Він був виявлений в 1955 році Ходжкіна і названкалій-натрієвий насос.
Він забезпечує "відкачування" іонів натрію з клітини і транспорт іонів калію всередину її. Здійснюється це за допомогою білка-переносника. Він захоплює в цитоплазмі клітини 3 іона натрію і переносять їх назовні, де іони отщепляются і таким чином виводяться з клітки. На зовнішній поверхні до переносники приєднуються 2 іона калію, які закачуються всередину клітини.
Робота ця здійснюється з витратою енергії, джерелом якої є аденозинтрифосфат (АТФ). Розпад АТФ відбувається під дією ферменту АТФ-ази, при цьому виділяється енергія, яка використовується в роботі калій-натрієвого насоса. При зрушеннях трансмембранної концентрації іонів, активність К-Na-насоса може автоматично регулюватися. У регуляції особливе значення має аденозинтрифосфатаза, яка активується при збільшенні концентрації натрію в цитоплазмі і калію в міжклітинної рідини.
Робота насоса приводить до наступних результатів:
1) підтримує високу концентрацію іонів К + всередині клітини, забезпечуючи тим самим сталість величини потенціалу спокою,
2) підтримує низьку концентрацію іонів натрію всередині клітини,
3) підтримуючи концентраційний градієнт натрію, натрій-калієвий насос сприяє сопряженному транспорту амінокислот і глюкози через клітинну мембрану.
Таким чином іонна асиметрія обумовлена як виборчої проникністю мембрани в стані спокою, так і діяльністю К-Na-насоса. Цю величину можна розрахувати за формулою Гольдмана:
Ем = ______ • ln ________________________________________________. де
вн, н - їх внутрішня і зовнішня концентрація.
Зміна мембранного потенціалу. Потенціал дії або струми дії
Біоструми спостерігаються не тільки при спокої, але і при порушенні тканин. Електричні процеси завжди супроводжують порушення і є найкращим його критерієм.
Вперше наявність біострумів при порушенні було виявлено Маттеучі в 1837 році в наступному досвіді. Він брав 2 н.-м. препарату і нерв одного з них накладав на м'яз іншого, нерв якого дратувався електричним струмом. при включенні Ел. струму скорочувалася не тільки дратує м'яз, а й інша. Цей факт пояснюється тим, що при скороченні першої м'язи в ній виникають біоструми, сила яких достатня для того, щоб порушити лежить на ній нерв другого препарату і викликати скорочення иннервируемой м'язи.
У 1954 році Мюллер і Келлікер встановили, що електричні явища супроводжують і діяльність серця. Вони накладали на скорочувалося серце теплокровного тваринного нерв н.-м. препарату литкового м'яза жаби і спостерігали, що при кожному скороченні серця одночасно скорочується і м'яз. Біоструми серця збуджують нерв, а він - м'яз.
Надалі біоструми були виявлені у всіх збудливих тканинах при їх діяльності. У 1800 році Герман назвав струми, які супроводжують процес збудження, потенціалами або струмами дії. Цей термін застосовується і в наші дні, а струми дії вважаються найкращим показником збудження тканин.
Токи дії можна зареєструвати.
Це роблять мікроелектродну способом. Один електрод розташовують на поверхні, а мікроелектрод вводять в клітину. При цьому реєстрація йде на тлі струмів спокою або мембранного потенціалу. Відразу після введення електрода всередину клітини осцилограф реєструє наявність потенціалу спокою, який дорівнює - 70 мв. Якщо після цього дратувати клітку надпороговой подразником, чинним поруч з позаклітинним електродом, то клітина збуджується і осцилограф записує криву однофазного струму дії, яка відображає швидке коливання мембранного потенціалу. У момент порушення крива круто піднімається вгору, доходить до 0 і потім перевищує його. Після цього збудження залишає точку впливу і заряд мембрани відновлюється до -70мв.
При цьому реєструється однофазний потенціал дії (рис.8). В кривої однофазного струму дії виділяють кілька частин. Висхідну частину кривої називаютфазой деполяризації. оскільки вона відображає процес зменшення і зникнення вихідної поляризації мембрани. Ця фаза протікає найбільш швидко. Вершину струму дії називаютспайком. Спадний коліно характеризує відновлення вихідної поляризації мембрани і називаютфазой реполяризації. У цій фазі розрізняють 2 частини -Швидко реполяризації з крутим падінням кривої імедленной, коли відновлення мембранного потенціалу уповільнюється, Цю частину нерідко називаютследовим негативним потенціалом. Після нього в деяких тканинах (безмякотних нервах) наблюдаетсяследовой позитивний потенціал. збільшення заряду мембрани, еегіперполярізація.
Іонний механізм потенціалу дії вперше спробував пояснити Ю. Берншетейн в 1912 році з позиції «теорії прориву іонного бар'єру». Відповідно до цієї гіпотези, при дії подразника мембрана втрачає свою вибірковість і все іони отримують можливість рухатися за своїми концентраційним градиентам: Na- в клітку, К - на поверхню. Їх концентрація над і під мембраною вирівнюється і мембранний потенціал в збудженому ділянці зникає. Це тривати дуже короткий час, після чого мембранний потенціал повністю відновлюється. За Бернштейна амплітуда струмів дії дорівнює величині мембранного потенціалу.
Ця теорія була поширена до мікроелектродну досліджень Ходжкіна і Катца (1949). У своїх дослідах на гігантських нервових волокнах кальмара ними було встановлено, що струми дії мають велику величину, ніж струми спокою: МП при порушенні не просто падає до 0, а змінюється на протилежний - зовнішня поверхня заряджається негативно по відношенню до внутрішньої.
Ходжкіна, Хакслі, Катц (1952) вперше висунули теорію про індивідуальний участю різних іонів в формуванні потенціалу дії (рис.9).
Відповідно до цієї теорії потенціал дії має кілька фаз:
1) фазаградуальной деполяризації - це час від моменту нанесення подразника до досягнення рівня критичної деполяризації, після чого розвивається високоамплітудними частина потенціалу дії. Градуальная деполяризация характеризується поступовим розкриттям натрієвих каналів, повільним входженням іонів натрію в клітину по концентраційному градієнту і поступовим зниженням МП. Тривалість першої фази для нервової тканини - 0,00004 сек, для скелетного м'яза - 0,0001 сек. При зниженні мембранного потенціалу до Екр. відбувається відкриття всіх натрієвих каналів і розвивається наступна фаза.
2) фаза швидкої деполяризації - це час розвитку піку від початку його виникнення до вершини. Відкриваються все натрієві канали, і іони натрію лавиноподібно надходять всередину клітини по концентраційному і електрохімічного градієнту. У цю фазу зміщення мембранного потенціалу протікає стрімко, він знижується і набуває позитивний заряд, що досягає величини + 30- + 40 мВ. Це називаетсяпіком деполяризації іліспайком. Амплітуда потенціалу дії дорівнює 100-120 мВ.
Д
3) фаза реполяризації - визначається часом зниження мембранної поляризації до вихідного рівня. Починається в момент досягнення заряду мембрани + 30- + 40мВ. У цей момент инактивируются натрієві канали і активуються калієві канали. Проникність для іонів калію збільшується і він починає виходити з клітки. Цей період має два відрізки часу - відносно швидке зниження поляризації мембрани (швидкої реполяризації). і подальше більш повільне зниження поляризації клітини (повільна реполяризация). яке називаетсяотріцательний слідової потенціал. Повільне зниження мембранної поляризації обумовлено включенням в роботу активних механізмів переносу іонів натрію і калію (калій-натрієвий насос). Тривалість третьої фази для нерва дорівнює 0,02-0,03 сек, для м'яза - приблизно 0,05-0,1 сек.
4) фаза гіперполяризації (позитивний слідової потенціал) - зниження поляризації клітинної мембрани нижче вихідної величини. Гиперполяризация характерна для неміелінізірованних нервових волокон. Її пов'язують з тимчасово збільшеної проникністю для іонів К +. Тривалість слідової електропозитивний для нерва приблизно дорівнює 0,1 сек, для м'яза - 0,25 сек і більше.
Після гіперполяризації МП повністю нормалізується до вихідних -70мВ. Подібні ПД спостерігаються в будь-який збудливою системі, протікаючи з різною швидкістю і займаючи різні пори. ПД розвивається за законом «все або нічого».
Токи дії служать одним з найбільш об'єктивних критеріїв збудження, тому їх реєстрація використовується для оцінки роботи багатьох органів: ЕКГ, ЕЕГ, електроміографія і т.д. Токи дії знайшли практичне застосування в протезуванні - в створенні керованих протезів.