Abstracts. Funcționarea pompelor de ioni
Funcționarea pompelor de ioni
Atunci când contracția musculară, atunci energia este irosită. Acest lucru este clar. Unul dintre indicatorii consumului de energie este consumul de oxigen. Dar se dovedește că oxigenul este consumat și se odihnesc muschii sau nervii. În 1932, M. Berezina, care a lucrat în laboratorul biofizicianului englez englez A. Hill, a arătat, de exemplu, că doar nervul de crab consumă 50% din cantitatea de oxigen necesară atunci când lucrează din greu. În legătură cu aceste date, Hill a scris: "Astfel, făcând nimic, pur și simplu fiind într-o stare de pregătire pentru a răspunde, nervul consumă aproximativ jumătate din energia pe care o utilizează cu răspunsul maxim". Acum este cunoscut faptul că această energie este consumată în principal pentru a menține concentrațiile ionice și, în consecință, pentru a menține potențialul de odihnă.
Amintiți-vă că PP este în principal creat datorită diferenței de concentrații de potasiu din interiorul celulei, unde există multe și în afara celulei unde este mică. Dar membrana este permeabilă, deși într-o mică măsură, și pentru ionii de sodiu. Ioniții de sodiu trebuie să pătrundă în interiorul celulei de-a lungul gradientului potențial, iar ionii de potasiu trebuie să iasă în loc. Datorită acestui proces, PP trebuie să scadă treptat. Cu toate acestea, în organismele vii acest lucru nu se întâmplă. Există un mecanism care păstrează PP tot timpul și, prin urmare, diferența de concentrații de potasiu în interiorul și în exteriorul celulei. Acest mecanism trebuie să deplaseze ionii de potasiu în interiorul celulei, adică în cazul în care concentrația lor este mai mare decât în afara și astfel de mișcări față de gradientul de concentrare necesită cheltuieli de energie.
Dovezi indirecte care arată că energia de repaus este consumat pentru a menține nervul PP au fost obținute în anii '30, când R. Gerard a arătat că valoarea PP în fibra nervoasă este direct dependentă de concentrația de oxigen din fibra mediu de spălare.
Studiul mecanismului de mentinere a concentratiei de ioni este una din sarcinile importante ale bioenergeticii - diviziunea biologiei moleculare. Bioenergetica, care studiază în cazul în care o celulă vii primește energie și la ce cheltuiește, a fost strâns legată de electrobiologie. Care sunt mecanismele moleculare pentru menținerea concentrațiilor ionice?
Am spus deja că diferite tipuri de molecule de proteine sunt integrate în membrana celulară exterioară. Se pare că unele dintre aceste molecule joacă un rol deosebit de pompe „pomparea“ ionii de potasiu în celulă și pomparea ionilor de sodiu în exterior. Se numesc pompe de ioni. Aceste proteine, foarte complexe, sunt o mașină moleculară reală care poate face lucruri uimitoare. De exemplu, se arată că are două site-uri active, dintre care unul poate fi apucată de un ion de potasiu, iar celălalt - sodiu. S-a găsit și "combustibilul" pe care funcționează această mașină. Acest compus chimic special este acidul adenozin trifosforic. "Eficiența" acestui combustibil este, de asemenea, cunoscută: experimentele cu izotopi radioactivi au arătat că energia degradării unei molecule ATP este suficientă pentru pomparea a trei ioni de sodiu în afară și pomparea a doi ioni de potasiu în interiorul celulei. Cum funcționează această mașină moleculară nu este exact cunoscută, dar se poate imagina, de exemplu, o astfel de schemă. După ce a capturat un ion puternic din mediul extern al ionului de potasiu și celălalt din ionul de sodiu interior, consumă ATP rotind 180 ° în interiorul membranei. ion de sodiu este în afara celulei și este separat acolo, și ioni de potasiu, de asemenea, cade în și eliberat, după care molecula de proteină adoptă poziția sa inițială și începe din nou. Această proteină, descoperită în 1957 de S. Skou, este denumită de obicei pompa de sodiu-potasiu.
Dacă opriți alimentarea cu oxigen a celulei, atunci ATP dispare după un timp și transferul de potasiu și sodiu se oprește; atunci diferențele de concentrație încep să egalizeze și PP începe să scadă. Dacă ATP este introdus într-o astfel de celulă, pompa reia funcționarea și PP este restabilită. Acest lucru explică experiențele lui Jarard.
Știm că procesele din organism sunt reglementate. Inima unui alergător bate de trei ori mai des decât o persoană care stă liniștit. Munca inimii este reglementată de sistemul nervos. Este posibil să se reglementeze cumva modul de lucru al unei molecule, să se controleze o mașină moleculară?
Sa dovedit că activitatea pompelor de ioni este controlată de concentrația de ioni în interiorul și în exteriorul celulei. În acest caz, pompa este accelerată de un exces de ioni de potasiu din exteriorul celulei sau de ioni în exces de sodiu din interiorul celulei.
Deoarece pompa de potasiu de sodiu pompează mai mulți ioni de sodiu decât pompați în ioni de potasiu, schimbă nu numai concentrația acestor ioni, ci și potențialul membranei. Prin urmare, o pompă de sodiu-potasiu este numită o pompă electrogenică. În fiecare ciclu de funcționare, pompa aruncă în exces ionul de sodiu și prin aceasta hiperpolarizează membrana. După unul sau mai multe PD-uri, excesul Ka + apare în celulă; acest lucru activează pompa. Pomparea excesivă a sodiului, pompa poate hipopolariza vizibil membrana: MP poate fi cu 20 mV mai mare decât PP datorită pompei. Astfel, pompele nu numai că afectează concentrațiile de ioni, dar pot fi, de asemenea, surse ale unei diferențe semnificative de potențial.
Am studiat pe scurt lucrarea uneia dintre proteinele membranare - pompa de sodiu-potasiu. În viitor, va trebui să vorbim despre multe alte proteine cu membrană. Dar o observație importantă poate fi făcută după acest prim exemplu. Până în prezent am considerat astfel de procese, care au procedat destul de identic atât în sistemele fizice, cât și în cele biologice. PP apare exact la fel pe membrana semipermeabilă a fibrei nervoase și pe peretele semipermeabil al tubului de lut. Acum pentru prima dată ne confruntăm cu un fenomen care nu se produce în fizică, deoarece este rezultatul evoluției biologice. Este o mașină, dimensiunea unei singure molecule, pompând ioni prin membrană. Lucrarea acestei mașini poate fi reglementată atât de resursele energetice, cât și de situația din mediul înconjurător. Ne vom întâlni cu mașini moleculare diferite în viitor.
Ce alte pompe sunt acolo?
Cel mai important rol în implementarea unei varietăți de funcții celulare îl joacă ionul de calciu. În repaus în interiorul celulei, există foarte puțini ioni de calciu liber comparativ cu mediul înconjurător - doar 10
te rog. Sub influența acestor sau a altor efecte ale calciului poate intra în celulă, dar apoi trebuie îndepărtată din citoplasmă. În cazul în care o concentrație mare de calciu în celulă nu este eliminată, celula moare după un timp, astfel încât celulele să monitorizeze foarte atent concentrația calciului intracelular. În membrana celulară există o pompă de calciu specială, care pompează ionii de calciu în mediul extern. Această pompă este neutră din punct de vedere electric: schimbă ionul de calciu pentru două protoni.
Celulele musculare se află într-o poziție specială. Pentru contracția musculară are nevoie de o mulțime de calciu, și ar trebui să fie livrate la fiecare dintre fibrilele de proteine care pătrund toate celulele corpului *). Trebuie să fie eliberată rapid și apoi îndepărtată rapid din fibrilă, astfel încât mușchiul să se poată relaxa. Dacă calciul a fost furnizat și eliminat prin membrana exterioară a celulei, o astfel de mișcare rapidă ar fi imposibilă. Celulele musculare au găsit o cale de ieșire. În interiorul lor există un sistem ramificat de cavități și tuburi formate dintr-o membrană interioară specială. În aceste cavități și calciu stocat, se elimină pentru a relaxa mușchii. Întreaga membrană interioară este acoperită dens cu molecule - molecule ale pompei de calciu. Concentrația de calciu în cavitățile din mușchiul relaxat este de mii de ori mai mare decât în alte părți ale celulei. Pompa nu costă mulți bani: transferul a doi ioni de calciu consumă o moleculă ATP.
În acest exemplu, vedem că mașinile moleculare pot funcționa nu numai pe membrana exterioară a unei celule, ci și pe membranele sale interne.
Pompele ionice sunt disponibile nu numai în celulele animale. De exemplu, ciuperca Neurospora detectat pompa de ioni, care funcționează pe electrogen energia ATP și poate determina diferența de potențial de membrană ciuperca de 200 mV datorită pomparea viguroasă de protoni din celula. O pompă de protoni, care funcționează cu energie luminoasă, se găsește în halobacterii. Interesant, proteina care formeaza pompa este foarte similară în structura retinei rodopsinei receptorilor.
Și acum observăm cât de departe am părăsit dintr-o dată fibra nervoasă sau mușchiul, cu care lucrau Galvani și Dubois-Reymond și generații de alți electrofiziologi. Dintr-o dată, am vorbit despre bacterii și ciuperci, și am putea merge și despre celulele de plante.
În biologie, este foarte important să se compare împreună diferitele obiecte, în scopul de a proteja împotriva concluzii false, proprietățile de transport ale unui animal în întreaga lume organică. Și ce a arătat acest studiu comparativ? Sa dovedit că toate celulele au PP! Mai mult decât atât, în diferite celule poate fi creat în diferite moduri: în fibra nervoasă - datorită gradientul concentrației de potasiu, în timp ce ciuperca Neurospora - datorită funcționării pompei de protoni.
Știm că în celulele nervoase și musculare potențialul lor de membrană este cumva folosit pentru semnalizare și contracție. Dar de ce avem nevoie de celule PP de bacterii sau ciuperci?
De ce celulele inexplicabile au un potential de odihnă?
Să ne întoarcem la celulele animale timp de un minut. La urma urmei, la animale, altele decât nervii și mușchii, există celule hepatice, celule de stomac și celule pielii. De ce au nevoie de PP?
Până acum, când am vorbit despre mișcarea substanțelor prin membrana celulară, am considerat practic fie apă sau ioni. Dar toate celulele trebuie să primească nutrienți, cum ar fi zaharuri sau aminoacizi pentru a construi proteine celulare. În sine, aceste substanțe trec foarte prost prin filmele lipidice. Cum intră în celule? Sa dovedit că, de regulă, ele trec în celule atunci când există un potențial asupra membranei celulare și a ionilor de sodiu în mediul înconjurător. De ce?
Aici ne confruntăm cu o nouă clasă de vehicule moleculare ale proteinelor transportoare și cu fenomenul transportului electric. Aceste proteine atașează o moleculă și un ion de sodiu la exteriorul membranei, obținând o încărcătură pozitivă. Apoi, câmpul electric atrage suportul pe suprafața interioară a membranei, unde separă zahărul și sodiul. Apoi, proteina purtătoare trece din nou prin membrana lipidică lichidă la suprafață, unde captează noi molecule de zahăr și sodiu. Extrasul de sodiu, care intră în celulă, este pompat în afară printr-o pompă de sodiu.
Deci, acum înțelegem că puternicul câmp electric este creat în membrana nu este în zadar: o celulă având PP poate trage în mod eficient în molecule încărcate pozitiv sau complexele de molecule. Molecula de zahăr în sine nu poartă încărcătură, iar purtătorul nu atașează ionul de sodiu până când zahărul nu își ia locul. Putem spune că purtătorul joacă rolul de antrenor, zahăr - călăreț și sodiu - rolul de cai, chiar dacă el însuși nu este mișcarea, și atrage într-un câmp electric cușcă. Pentru a absorbi din mediu diferite zaharuri sau aminoacizi diferiți, celula are și alte proteine purtătoare. Purtătorii în bacterii sunt livrați la o celulă de zahăr nu cu un ion de sodiu, ci cu un ion de hidrogen.
Astfel, potențialul membranei este utilizat de toate celulele pentru transportul electric al diferitelor substanțe.
Transportul electric poate fi, de asemenea, utilizat pentru a elimina anumite substanțe din celulă. Să dăm un exemplu. Am spus deja că excesul de calciu din cușcă este periculos pentru ea. În cazul în care o mulțime de calciu, iar pompa de calciu a intrat în celulă nu poate face față cu ea se elimină, porniți un sistem de alarmă special și vine în proteine purtător. Se atașează în interiorul ionului de calciu, iar în afară - trei ioni de sodiu și transferă calciu în exterior și sodiu - în interiorul celulei. Spre deosebire de pompa de sodiu de potasiu, care utilizează energia ATP, acest purtător de calciu acționează ca un motor electric, utilizând energia potențialului membranei. Adevărat, cu fiecare ciclu de lucru în interiorul celulei, trei ioni de sodiu intră aici, dar acest lucru nu este la fel de rău ca și pătrunderea ionilor de calciu.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: