Мембранния потенциал и електрохимичната градиент
Мембранния потенциал и електрохимичната градиент
• мембранния потенциал се дължи на електрохимична градиент, която съществува от двете страни на мембраната селективно пропускливи за йони
• Стойността на потенциала на мембрана като функция от концентрацията на йони се изчислява съгласно уравнението Нернст
• Клетката се поддържа отрицателно мембранен потенциал на покой. В тази вътрешна среда на клетката, в сравнение с външната характеризира малко по-голям отрицателен заряд
• Наличието на мембранния потенциал е предпоставка за генерирането на електрически сигнали и посока на транспорта на йони през мембраната
Важно свойство на клетки е възможността за поддържане на вътреклетъчните концентрации на тези метаболити, които се различават значително от тяхното съдържание в извънклетъчната среда. В случай на йони, разликите в концентрация от двете страни на мембраната води до разлики в електрически заряд: вътреклетъчната среда малко повече отрицателно заредени от средата извън клетката. Комбинираният ефект на разликата в концентрацията заряд и поведение повиши до електрохимичната градиент. Електрохимично градиент се поддържа чрез действието на селективни канали и носещи протеини в плазмената мембрана.
За да се разбере как електрохимична градиент, първо разгледа прост случай, когато мембраната е пропусклива за само един йонни видове. Фигурата по-долу показва две отделения А и В, разделени от тънка мембрана. Тези отделения съдържат различни концентрации на разтвор КС1. В разтвор на калиев хлорид се дисоциират в хидратни йони К + и СГ. Тъй като двете отделения съдържат еквимоларни концентрации на йони, като всеки има неутрален заряд.
Ако мембраната е непропусклив за йони, стойността на електрическия потенциал, измерена с помощта на волтметър, ще бъде равна на нула.
Сега разгледаме случая, когато мембраната е пропусклива само за калиев йон (например, когато са разположени в мембраната К + канали). Дифузията на градиент разтворени вещества концентрация е енергично благоприятен процес (изразено като отрицателна стойност на енергия разликата AG). Следователно йони К + ще дифундират до по-ниска концентрация, т. Е. От отделение Б в отделение А. В този случай разпределението на заряда на мембраната ще се промени. Както натрупване в отделение А положително заредени йони, увеличава силата на отблъскване между тях. Тези сили усложняват прехода на К + йони в отделение А.
Когато електрохимична се постига равновесие в системата. концентрационни градиенти и електрически заряди са взаимно балансирани, и движението на К + йони през мембраната престава. В този случай, транспортирането на йони до + от едно отделение се задържа транспортирането им от друг отделение.
Въпреки това отделение съдържа повече положително заредени йони, отколкото в отделение В. Този излишък К + йони (в отделение А), взаимодейства с излишък Cl- йони (в отделение С) през тънка мембрана, при което от двете страни на него са разположени електрически заряди , такса разлика от двете страни на мембраната се изразява като потенциална разлика се нарича мембранния потенциал. Равновесие (мембрана) потенциал отделение Б към отделение А има отрицателна стойност.
Този пример илюстрира необходимостта от двете условия, необходими за появата на клетъчната мембрана потенциал, не е равна на нула:
• различни йонни концентрации от двете страни на мембраната, което води до разделяне и зареждане
• мембрана с селективна пропускливост най-малко един вид йон.
Следователно, стойността на потенциала на мембрана е функция от концентрацията на йон. В равновесие тази функция за X йони може да се определи количествено като се използва уравнението Нернст:
• E - потенциала за равновесие (във волтове)
• R - универсална газова константа (2 изч мол -1 К -1)
• T - абсолютна температура (К; 37 ° С = 307,5 K)
• Z - валентни йони (електрически заряд)
• F - брой на Фарадей (2.3 х 10 април -1 волта изч мол -1)
• [X], А - X концентрация на свободни йони в отделение А
• [X] в - концентрацията на свободни йони в отделение Б X
При образуването на потенциала на мембрана в животински клетки, включващи основно йони К +, Na + и СГ. Са2 + и Mg2 + в по-малка степен участва в образуването на потенциал покой мембрана. Плазмената мембрана е селективно пропускливата към изброените йони (т. Е. Мембраната включва йонни канали, йон селективни за всеки вид). Това обстоятелство, както и пропускливостта на мембраната (Р) за всеки йон е взето предвид в уравнение Goldman-Hodgkin-Katz, която е разширена форма на уравнението на Нернст.
За големи йони, това уравнение експресира потенциал мембрана като функция от концентрацията им вътре и пропускливост (I) и външни (на) клетки:
Количеството на отрицателен потенциал на покой на мембраната зависи от типа на клетката и варира от -200 до -20 тУ тУ. В клетки на бозайници, потенциал покой на мембраната се създава главно К + канали и йонна помпа, която се казва, Na + / K + -ATPase. Основен принос за образуването на потенциала на мембрана отрицателен прави малък поток на К + йони през плазмената мембрана. Този поток се извършва от К + канали лишени механизъм стробиране (т.е.. Н. Непролифериращи калиеви канали).
За разлика от повечето от другите К + канали. които имат нужда от сигнал за отваряне на тези канали в клетка, която има определен потенциал за мир, винаги отворена. В клетката на покой и множество канали са отворени за други йони. Движение на К + от клетката, в посока на електрохимична градиент, което помага да се поддържа клетъчното съдържание отрицателен заряд. Докато ние не знаем всички източници на калиеви йони, които участват в този процес. В някои клетки, такива като растения и бактерии, както и в митохондриите, потенциал покой мембрана е създадена от градиента на протонната вместо К + йони.
За йонна дифузия настъпилото К + от клетката чрез канал К +, концентрацията им в клетката трябва да бъде по-висока, отколкото в заобикалящата среда. градиент на концентрация е създаден като резултат на Na + / К + -АТР-PS, която инжектира в клетката на калиев йон, две за всеки три натриев йон, този йон помпа, която отстранява от клетките. Ето защо, помпата функционира и като генератор на заплащане: премахване на повече електрически заряд, отколкото се въвежда в клетката. Така, заедно с К + -channels лишени механизъм стробиране, Na + / K + -ATPase, участващи в създаването отрицателно вътреклетъчно потенциал. Ако възникне инактивиране Na + / K + -ATPase, концентрацията на Na + йони и К + йони от двете страни на мембраната се изравни. Това е така, защото двойния липиден слой е много лоши преминава йони. С други думи, без да преминават основните активни транспортни процеси, включващи Na + / K + -ATPase мембранния потенциал стойност ще бъде нула.
Остатъчен потенциал на мембрана на клетките е сравнително постоянно. Въпреки това, когато свързващ лиганди, механично напрежение или промяна на електрически заряд настъпва отваряне специфични йонни канали и мембранния потенциал промени. Ако йонни канали се контролира от електрически заряд, промените в мембранния потенциал ефект върху преминаването на йоните през тях. Отваряне и затваряне на канала контролира чрез механизъм стробиране (Heyting). Мембранният потенциал зависи от йонните канали, които най-вече отворен. Например, когато откриването на Na + - и Са2 + канали настъпва мембрана деполяризация.
Съответните йони започват да влезе в клетката, в посока на тяхното електрохимична градиент. Това води до факта, че на мембранния потенциал, става все по-положителен. Обратно, когато потенциала на мембрана реполяризация (хиперполяризация) става по-отрицателен. Това се случва, когато отварянето на калиевите канали и изхода на клетка К + йони в посока на наклона, което води до повишаване на потенциала за отрицателен мембрана. Движението на йони е бързо йонни канали и се изчислява в милисекунди. За промяна на мембранния потенциал достатъчно само малки разлики в концентрацията на йони от двете страни на мембраната, и тяхната концентрация в основната клетка не се променя.
Поток само 10 -12 мола К + чрез 1 cm2 на резултатите от мембранни в бързото му хиперполяризация и създаването на мембраната потенциал равна на -100 тУ. Местна относително малък движение на такси чрез мембраната позволява цитозола и заобикалящата среда да остане електрически неутрална и свежда до минимум електрически отблъскване заплащане.
От енергийна гледна точка, на мембранния потенциал е определена енергия резервоар енергия, която може да се използва за извършване на конкретна операция. Според местоположението на отрицателно заредени йони в цитозола и положително заредени върху външната страна на мембраната, клетката прилича на електрически кондензатор или батерия, т. Е. Устройство възможност за съхраняване на електрическа енергия и служи като източник. Енергия се освобождава йони мигрират към тяхното електрохимична градиент, и може да се използва в процесите на транспорт на други йони или метаболити срещу градиент на концентрация.