Стр. 153

Рис. 6-6

Надписи на рисунке:

ВНИМАНИЕ! последняя позиция пункта 6 (выделена жёлтым): её не убирать из оригинала или набрать заново

1 — Внеклеточное пространство

2 — Цитозоль

3 — Коэффициент разделения

4 — Диффузионный коэффициент

5 — Трансмембранный потенциал

6 — Электродиффузионная модель построена на следующих допущениях:

мембрана гомогенна

постоянное электрическое поле

движение одного иона не зависит от движения других ионов

постоянный коэффициент проницаемости P_х = D β/α

7 — Мембрана

=============================

Процесс прохождения иона сквозь мембрану называют электродиффузией, поскольку за ионный поток ответственны электрический и концентрационный градиенты. При первом рассмотрении прохождение ионов через большинство белков - ионных каналов происходит так, как если бы поток этих ионов соответствовал модели, основанной на электродиффузионной теории Нернста–Планка (Nernst–Planck), которая была сначала применена для расчета диффузии ионов в простых растворах. Эта теория приводит к важному уравнению в медицинской физиологии, названному уравнением постоянного поля, которое предсказывает ответную реакцию V_m на изменения градиентов концентрации ионов или изменения мембранной проницаемости. Перед тем как представить это уравнение, мы рассмотрим некоторые важные базовые понятия и правила.

Без знания молекулярных основ движения ионов через мембрану мы можем рассматривать мембрану как «черный ящик», характеризующийся несколькими фундаментальными параметрами (рис. 6-6). Мы можем предположить, что уровень потока ионов через мембрану зависит от:

Ú внутри- и внеклеточной концентрации иона X ([X]_o и [X]_i, соответственно);

Ú трансмембранного напряжения (V_m);

Ú коэффициента проницаемости иона X (P_x).

Кроме того, мы сформулируем четыре основных положения о том, как ион X ведет себя в мембране:

· Мембрана — гомогенная среда с толщиной a.

· Трансмембранное напряжение изменяется линейно с расстоянием поперек мембраны (см. рис. 6-6). Это предположение эквивалентно заявлению, что электрическое поле (перепад напряжения с расстоянием) является постоянным по всей толщине мембраны. Это утверждение называют допущением постоянного поля.

· Движение иона сквозь мембрану не зависит от движения каких-либо других ионов. Это положение называют принципом независимости.

· Коэффициент проницаемости P_x — константа (то есть он не изменяется при воздействии химических или электрических движущих сил). P_x (единица измерения — см/с) вычисляют по формуле P_x = D_хb/a, где D_х — коэффициент диффузии иона через мембрану, b — коэффициент проницаемости иона на границе вода-мембрана (отражает «растворимость» иона в мембране), a — толщина мембраны. Таким образом, P_x отражает способность иона раствориться в мембране (как описывает b) и диффундировать с одной стороны мембраны на другую сторону (как описывает D_х) через расстояние a.

Предполагая это, мы можем вычислить поток, который несет отдельный ион X (I_x) через мембрану при использовании элементарных законов физики, которые управляют (1) движением молекул в растворе (закон диффузии Фика; см. уравнение 5-13), (2) движением заряженных частиц в электрическом поле (электрофорезом) и (3) прямой пропорциональностью тока к напряжению (закон Ома). Полученное в итоге уравнение тока Гольдмана–Ходжкина–Катца (Goldman-Hodgkin-Katz), названное в честь первых электрофизиологов, которые применили теорию постоянного поля Гольдмана и уравнение электродиффузии Нернста–Планка для опсания трансмебмранных токов:

Ы Верстка! Вставить уравнение 6-7 стр. 154 РД Ы

(6-7)

I_x, или скорость ионов, двигающихся через мембрану, измеряется в тех же единицах, что и электрический ток — амперах (кулоны в секунду). Таким образом, уравнение Гольдмана–Ходжкина–Катца связывает поток иона X через мембрану в сторону внутриклеточной и наружной концентрации иона X, трансмембранное напряжение и проницаемость мембраны для иона X. Уравнение Гольдмана–Ходжкина–Катца, таким образом, позволяет нам предсказать, как ток, который несет ион X, зависит от V_m. Эта взаимосвязь тока и напряжения (I-V) важна для понимания того, как ионные потоки идут в клетку и из нее.

На рис. 6-7A показано, как поток ионов K⁺ (I_k) зависит от V_m, как следует их уравнения 6-7 для нормальный внутренней (155 мМоль) и внешней (4,5 мМоль) концентраций ионов K⁺. По умолчанию, поток ионов, идущий в клетку (внутренний поток), определен в электрофизиологии как отрицательно идущий поток, а поток ионов, идущий из клетки (внешний поток), определен как положительный поток. (Как и в физике, направление тока ионов — всегда направление движения положительного заряда. Это соглашение означает, что поступление ионов Сl^– внутрь — это ток, направленный наружу). Для случая, когда концентрация ионов K⁺ на внутренней стороне мембраны клетки составляет 155 мМоль, а на внешней 4,5 мМоль, можно предположить, что поток ионов внутрь клетки будет идти при напряжении больше –95 мВ, а поток ионов из клетки будет происходить при значениях напряжения менее –95 мВ, то есть более положительных (см. рис. 6-7A). Значение напряжения –95 мВ называют потенциалом реверсии (V_рев), потому что именно при этой величине потенциала на мембране направление суммарного ионного тока через мембрану реверсируется (то есть при V_рев потоки иона в обе стороны через мембрану выровнены,а абсолютный ток равен нулю).Поэтому потенциал реверсии еще называют равновесным потенциалом. Если в уравнении 6-7 мы приравняем I_K к нулю и рассчитаем V_rev, мы получим что данное уравнение Гольдмана–Ходжкина–Катца преобразуется в уравнение Нернста для ионов K⁺ (см. уравнение 6-5). Таким образом, уравнение Гольдмана–Ходжкина–Катца для иона X предсказывает потенциал реверсии (V_rev), равный потенциалу Нернста (Е_х) для иона; то есть поток ионов нулевой, если ион находится в электрохимическом равновесии. При значениях V_m более отрицательных, чем V_rev, возникающая движущая сила на катионе направлена внутрь; при напряжении более положительном, чем V_rev, движущая сила направлена наружу.

На рис. 6-7B показано аналогичное I-V-отношение, вытекающее из уравнения 6-7, для физиологических концентраций ионов Na⁺. В этом случае поток ионов Na⁺ (I_Na) идет внутрь клетки, если значение V_m, более отрицательно, чем V_rev (+67 мВ), и наоборот, если напряжение более положительно, чем потенциал реверсии, то поток ионов идет из клетки наружу. Здесь V_m снова равен потенциалу Нернста, то есть E_Na.

Ы! Верстальщик! Вставить рис. 6-7. ИК

Рис. 6-7. Характеристики трансмембранных ионных токов, предсказанные уравнением Гольдмана–Ходжкина–Катца. A. Кривая калиевого тока (см. уравнение 6-7) в случае, если мембрана проницаема только для ионов K⁺ ([K⁺]_i = 155 мМ; [K⁺]₀ = 4,5 мМ; «i» — входящий; «o» — выходящий). Пунктирная прямая (в соответствии с законом Ома) — ожидаемый ток, если [K⁺]_i, и [K⁺]₀ одинаковы и равны 155м М; V_рев — реверсивный(равновесный) потенциал. Б. Кривая натриевого потока при условии, что мембрана проницаема только для ионов Na⁺ ([Na⁺]_i = 12 мМ, а [Na⁺]₀ = 145 мМ; пунктирная прямая линия — ожидаемый ток, когда [Na⁺]_i и [Na⁺]₀ одинаковы и равны 145 мМ; V_рев — реверсивный потенциал

=============================