'''Пример'''. Если газ O2 О₂ «наслоить» на поверхность воды, кислород быстро диффундирует в воду по изначально высокому градиенту давления газа (А2). В результате парциальное давление О₂ (PO2PО₂) повышается, и О₂ может диффундировать далее в следующий (обедненный кислородом) слой воды (А1). (Примечание. В случае газов роль концентрации выполняет парциальное давление.) Однако градиент dPO2dPО₂/dx (крутизна профиля PO2PО₂) уменьшается (экспоненциально) в каждом следующем слое, расположенном на расстоянии х от источника О₂ (АЗ) (крутизна профиля показывает убывание так называемой скорости диффузии (= количество диффундирующего вещества за единицу времени)). Следовательно, в организме диффузия возможна только на короткие расстояния. В жидкостях диффузия медленнее, чем в газах.[[Image:Naglydnay_fiziologiya16.jpg|250px|thumb|right|А. Диффузия в гомогенной среде]]

D=R*T/NA*6π*r*n (м2c^-1)где R= 8,3144 Дж • К^-1 • моль^-1 - универсальная газовая постоянная, число Авогадро NA = 6,022 * 1023 моль^-1 .

Поскольку движущая сила, т. е. градиент концентрации dС/dx, уменьшается с расстоянием, время диффузии экспоненциально увеличивается с расстоянием (t - х2х²). Например, если молекула проходит первый мкм за 0,5 мс, то потребуется 5 с, чтобы пройти 100 мкм, и целых 14 ч, чтобы пройти 1 см. Возвращаясь к примеру (А2), если парциальное давление диффузии свободного О₂ над слоем воды поддерживается на постоянном уровне, то PO2 в воде и расположенном над ней слое газа в конце концов выравнивается, и направленная диффузия прекращается (достигается диффузное равновесие). В организме этот процесс происходит, например, когда О₂ диффундирует из альвеол легких в кровоток, а СО₂ - в противоположном направлении.

[[Image:Naglydnay_fiziologiya16Naglydnay_fiziologiya19.jpg|250px|thumb|right|]]- АГ. Диффузия в гомогенной среде[[Image:Naglydnay_fiziologiya17Проницаемость липидных мембран и Д.jpg|250px|thumb|right|Облегченная диффузия]]|— Б. Диффузия через пористую мембрану - Рисунок 1.10. Пассивный транспорт. Диффузия[[Image:Naglydnay_fiziologiya18.jpg|250px|thumb|right|]]- В. Диффузия через липидную мембрану 

Jdiff = P • ΔC [моль . м^-2 . с^-1]

При рассмотрении диффузии газов ΔС в уравнении 1.4 заменяется на а • АР (коэффициент растворимости, умноженный на разность парциальных давлений), a Jdiff[моль • с^-1] - на Kdiff [м3 • с^-1]. Произведение к • а • С называется диффузной проводимостью, или коэффициентом диффузии Крота К [м2 • с^-1 • Па^-1]. Подстановка в уравнение первого закона Фика дает уравнение

Vdiff/A = K *ΔP/Δx [м*с"^-1]-

Vo2diff VО₂diff = D1 * ΔPo2 м3cΔPО₂ м3с^-1

Предыдущее уравнение было выведено в приближении отсутствия диффузии частиц с электрическим зарядом (ионов). В случае ионов следует учитывать разность электрического потенциала на клеточной мембране. Разность потенциалов может быть дополнительной движущей силой диффузии (электродиффузия). В этом случае положительно заряженные ионы (катионы) будут перемещаться к отрицательно заряженной стороне мембраны, а отрицательно заряженные ионы (анионы) - к поло жительно положительно заряженной стороне. Условием для такого транспорта является, конечно, наличие в мембране ионных каналов, которые делают мембрану проницаемой для ионов. И наоборот, каждый ион, диффундирующий по градиенту концентрации, несет заряд, который создает электрический потенциал диффузии.[[Image:Naglydnay_fiziologiya20.jpg|250px|thumb|right|Е. Неионная диффузия и Ж. Пассивный транспорт, опосредованный переносчиками]]

индексы 1 и 2 относятся к разным сторонам мембраны. В отличие от Р проводимость g зависит от концентрации. Если, например, концентрация К+ вне клетки возрастает с 4 до 8 ммоль/кг Н₂О (концентрация в цитоплазме остается постоянной, 160 ммоль/кг H2OH₂O), то возрастет ионная активность (с), а электрическая проводимость мембраны по этому иону (g) увеличится на 20%.

'''Аквапорины ''' (AQP) - это каналы, которые осуществляют транспорт воды во многих клеточных мембранах. Главная клетка в собирательной трубочке почки имеет около 107 водных каналов, содержащих AQP2 (регуляторные аквапорины) со стороны просвета мембраны, а также AQP3 и AQP4 (конститутивные) в базолатеральной мембране. Проницаемость для воды эпителия почечной собирательной трубочки (А, справа) контролируется с помощью встраивания и удаления аквапорина AQP2, который хранится в мембране внутриклеточных везикул. В присутствии антидиуретического гормона АДГ (V2-рецепторы, цАМФ) водные каналы встраиваются в мембрану со стороны просвета в течение нескольких минут, таким образом увеличивая проницаемость мембраны для воды примерно до 1,5 • 10-17 л • с^-1 на один канал.

Конвекция осуществляет транспорт растворенных веществ на большие дистанции, например, при циркуляции в мочевыделительной системе. Растворенное вещество при этом движется в потоке, как деревянная щепка в реке. Количество растворенного вещества, транспортируемого в единицу времени (Jconv), есть произведение объемного потока Jy [м3 • с^-1] на концентрацию растворенного вещества С [моль • м^-3]:

Перемещение газов в дыхательном тракте, перенос тепловой энергии кровью и их высвобождение с нагретым воздухом также происходят путем конвекции (с. 230).[[Image:Naglydnay_fiziologiya21.jpg|250px|thumb|right|]]г— В. Связывание белков плазмы[[Image:Naglydnay_fiziologiya22.jpg|250px|thumb|right|]]— Б. Фильтрация

Рисунок 1.12. Осмос, фильтрация и конвекция== Активный транспорт ==[[Image:Naglydnay_fiziologiya23Naglydnay_fiziologiya24.jpg|250px|thumb|right|A. Na+, К+-АТфаза]]Активный транспорт происходит во многих частях организма, при этом растворенные вещества транспортируются против градиента концентрации (восходящий транспорт) и/или для ионов - Апротив электрического потенциал. Осмос В целом активный транспорт происходит против электрохимического градиента растворенного вещества. Поскольку механизмы пассивного транспорта представляют собой транспорт по градиенту (диффузия водынисходящий транспорт) — , они не подходят для данной задачи. Активный транспорт требует расхода энергии. Большая часть химической энергии, получаемой с пищей, используется для активного транспорта, как только эта энергия становится доступной в форме [[АТФ]]. Энергия, полученная в результате гидролиза АТФ, используется для транспорта многочисленных ионов, полезных продуктов и отходов обмена веществ. В соответствии с законами термодинамики энергия, расходуемая в этих реакциях, поддерживает порядок в клетках и органеллах, что является условием для выживания и нормальной работы клеток, а следовательно, и всего организма. Дя -

Активный транспорт Активный транспорт происходит во многих частях организма, при этом растворенные вещества транспортируются против градиента концентрации (восходящий транспорт) и/или для ионов - против электрического потенциал. В целом активный транспорт происходит против электрохимического градиента растворенного вещества. Поскольку механизмы пассивного транспорта представляют собой транспорт по градиенту (нисходящий транспорт), они не подходят для данной задачи. Активный транспорт требует расхода энергии. Большая часть химической энергии, получаемой с пищей, используется для активного транспорта, как только эта энергия становится доступной в форме АТФ. Энергия, полученная в результате гидролиза АТФ, используется для транспорта многочисленных ионов, полезных продуктов и отходов обмена веществ. В соответствии с законами термодинамики энергия, расходуемая в этих реакциях, поддерживает порядок в клетках и органеллах, что является условием для выживания и нормальной работы клеток, а следовательно, и всего организма. При первичном активном транспорте энергия гидролиза АТФ направляется через ионные насосы прямо для ионного транспорта. Эти ионные насосы называются АТФазами. Они устанавливают электрохимический градиент довольно медленно, например, скорость «работы» Na+-К+-АТФазы примерно 1 мкмоль • с^-1 • м-2 мембранной поверхности. Градиент может быть использован для образования быстрых (пассивных) ионных токов в противоположном направлении после увеличения проницаемости ионных каналов. Например, при потенциале действия ионы Na+ могут поступать в нервную клетку со скоростью до 1000 мкмоль • с^-1 • м^-2.

Вторичный активный транспорт имеет место, когда восходящий транспорт вещества (например, глюкозы) с помощью белка-переносчика (например, переносчика глюкозида натрия второго типа, SGLT2) совмещается с пассивным (нисходящим) транспортом иона (в данном примере, Na+; Б1). В этом случае электрохимический градиент Na+, созданный Na+-К+-АТФазой на другой стороне клеточной мембраны (А), обеспечивает движущую силу, необходимую для вторичного активного поглощения глюкозы клеткой. Совместный транспорт через мембрану двух компонентов называется котранспортом, он осуществляется в форме симпорта или антипорта. Симпорт происходит, когда два вещества (вещество и движущий ион) транспортируются через мембрану в одном и том же направлении (Б1-3). Антипорт -когда они транспортируются в противоположных направлениях. Например, электрохимический градиент Na+ стимулирует транспорт Н+ в противоположном направлении за счет вторичного активного транспорта (Б4). В результате возникающий градиент Н+ может быть использован далее для третичного активного симпорта таких молекул, как пептиды (Б5) или ионы Fe (с. 96).

Электроивйтральный транспорт происходит, когда суммарный электрический заряд в результате транспорта не изменяется, например при Na+-H+-антипорте (Б4) и Na+-С1~-симпорте (Б2). Небольшое разделение заряда происходит при электроген-ном электрогенном (реогенном) транспорте, например при Na+-глюкоза°глюкоза- (Б1), Na+-аминокислота°- (БЗ), 2Na+-аминокислота-, Н+-пептид°-симпорте (Б5).

i— A. Na+, К+-АТфаза Химический градиент Na+ является единственной движущей силой электронейтрального транспорта [например, Nа+/Н+-антипорта), тогда как отрицательный мембранный потенциал обеспечивает дополнительную движущую силу для реогенного котранспорта в клетку. Когда вторичный активный транспорт (например, глюкозы) сопряжен со входом в клетку не одного, а двух ионов Na+ (например, SGLT1 симпортер), движущая сила удваивается. Но помощь АТФазы требуется, если необходимое для «восходящего» транспорта соотношение концентраций в несколько десятков раз больше, например 106 10⁶ в случае ионов Н+ на мембране пристеночных клеток желудка. АТФ-зависимый транспорт может быть электрогенным или электронейт-ральнымэлектронейтральным, например при участии Na+-К+-АТФазы (3Na+/2K+) или Н+-К+-АТФазы (1Н+/1К+) соответственно.

'''Экзо- и эндоцитоз ''' - это абсолютно другие виды активного транспорта, включающие формирование мембранно-связанных везикул с диаметром 50-400 нм. 34 Везикулы или отщепляются от плазматической мембраны (экзоцитоз), или включаются в нее при помощивпячиваний (эндоцитоз), что сопровождается расходом АТФ. При этих процессах поглощение и высвобождение клеткой макромолекул, например белков, липопротеинов, полинуклеотидов и полисахаридов, происходит с помощью специфических механизмов, похожих на те, которые участвуют во внутриклеточном транспорте.[[Image:Naglydnay_fiziologiya26.jpg|250px|thumb|right|В. Рецептор-опосредованный эндоцитоз]]'''Эндоцитоз''' можно разделить на несколько типов - пиноцитоз, рецептор-опосредованный зндоцитоз и фагоцитоз. '''Пиноцитоз''' - это постоянное неспецифическое поглощение внеклеточной жидкости и молекул, растворенных в ней, сравнительно небольшими везикулами. '''Рецептор-зависимый зндоцитоз''' (В) включает селективное поглощение специфических макромолекул с помощью рецепторов. Процесс обычно начинается у маленьких углублений (ямок) на поверхности плазматической мембраны. Так как внутренность ямок часто плотно покрыта белком клатрином, они называются окаймленные ямки. Участвующие в процессе рецепторы являются интегральными мембранными белками, такими как белки-рецепторы для липопротеинов низкой плотности (ЛПИП; например, в гепатоцитах) или связанный с внутренним фактором кобаламин (например, в эпителии подвздошной кишки). Тысячи рецепторов как одного, так и разных типов, могут сосредоточиваться у окаймленных ямок (В), что приводит к значительному увеличению результативности поглощения лигандов. Эндоцитозные везикулы изначально покрыты клатрином, позднее он высвобождается. Затем везикулы преобразуются в ранние эндосомы, и большинство ассоциированных рецепторов возвращается обратно к клеточной мембране. Поглощенный везикулой лиганд или высвобождается на другой стороне мембраны (трансцитоз, см. ниже), или расщепляется лизосомами (В). Фагоцитоз - это зндоцитоз фагоцитами макрочастиц, таких как микроорганизмы и обломки клеток, и соединение их с лизосомами. Низкомолекулярные продукты расщепления - аминокислоты, сахара и нуклеотиды -транспортируются из лизосом в цитозоль, где могут быть использованы для клеточного метаболизма или секретироваться во внеклеточную жидкость. Когда некоторые гормоны, например инсулин, связываются с рецепторами на поверхности клетки-мишени, гормон-рецепторные комплексы тоже могут встраиваться в окаймленные ямки, эндоцитироваться (поглощаться) и расщепляться лизосомами. Это уменьшает плотность рецепторов, доступных для связывания с гормонами, на поверхности мембран. Другими словами, повышение притока гормонов регулирует (снижает) плотность рецепторов.[[Image:Naglydnay_fiziologiya27.jpg|250px|thumb|right|Г. Конститутивный экзоцитоз]]'''Экзоцитоз''' - способ селективного экспорта макромолекул (например, ферментов поджелудочной железы) и высвобождения многих гормонов (например, гормонов задней доли гипофиза) или нейромедиаторов. Эти вещества хранятся уже в готовом виде «упакованными» в секреторные везикулы, покрытые клатрином, и ждут специального сигнала (например, увеличения концентрации Саг+ в цитозоле) для высвобождения. «Упаковочный материал» (мембраны везикул) позднее вновь эндоцитируется и рециркулируется. Слияние мембран при экзоцитозе, кроме того, помогает встраиванию связанных с везикулами белков в плазматическую мембрану. Жидкое содержимое везикулы затем автоматически опорожняется в ходе процесса, называемого конститутивным экзоцитозом (Г).

впячиваний При конститутивном экзоцитозе белковый комплекс коатомер (эндоцитозпротомер окаймленной ямки) исполняет функцию клатрина (см. выше). Внутри мембраны комплекса Гольджи, GNRP (белок, высвобождающий гуаниновый нуклеотид) фосфорилирует ГДФ фактора рибозилирования АДФ (ARF) до ГТФ (Г1), что сопровождается расходом АТФприводит к отсоединению везикул от транс-Гольджи сети. При этих процессах поглощение Комплексы ARF-ГТФ затем заякориваются на мембране и высвобождение клеткой макромолекулсвязываются с коатомером (Г2), например белковобразуя везикулы, липопротеиновокаймленные коатомером (ГЗ). Мембраны везикул содержат v-SNARE -везикулярные белковые рецепторы, ассоциированные с синаптосомой, которые распознают t-SNARE (SNARE-мишени) в мембранах-мишенях (в плазматической мембране в данном случае). Это приводит к высвобождению ARF-ГТФ, полинуклеотидов диссоциации ARF-ГДФ и молекул коатомера и полисахаридов, происходит с помощью специфических механизмовв итоге, похожих на тек слиянию мембран и экзоцитозу (Г4, которые участвуют Г5) во внутриклеточном транспортевнеклеточное пространство.

Зндоцитоз можно разделить на несколько типов - пиноцитоз, рецептор-опосредован-ный зндоцитоз и фагоцитоз. Пиноцитоз '''Трансцитоз''' - это постоянное неспецифическое поглощение внеклеточной жидкости и молекул, растворенных в ней, сравнительно небольшими везикулами. Рецептор-зависимый зндоцитоз макромолекул (В) включает селективное поглощение специфических макромолекул с помощью рецепторов. Процесс обычно начинается у маленьких углублений [ямок) на поверхности плазматической мембраны. Так как внутренность ямок часто плотно покрыта белком клатрином, они называются окаймленные ямки. Участвующие в процессе рецепторы являются интегральными мембранными белкамитаких, такими как белки-рецепторы для липопротеинов низкой плотности (ЛПИП; например, в гепатоцитах) или связанный с внутренним фактором ко-баламин (например, в эпителии подвздошной кишки). Тысячи рецепторов как одного, так и разных типов, могут сосредоточиваться у окаймленных ямок (Вгормоны), что приводит к значительному увеличению результативности поглощения лигандов. Эндоцитозные везикулы изначально покрыты клатрином, позднее он высвобождается. Затем везикулы преобразуются в ранние эндосомы, и большинство ассоциированных рецепторов возвращается обратно к клеточной мембране. Поглощенный везикулой лиганд или высвобождается путем эндоцитоза на другой одной стороне мембраны [трансцитоз, см. ниже), или расщепляется лизосомами (В). Фагоцитоз - это зндоцитоз фагоцитами макрочастиц, таких как микроорганизмы и обломки клеток, клетки и соединение их с лизосомами. Низкомолекулярные продукты расщепления - аминокислоты, сахара и нуклеотиды -транспортируются из лизосом в цитозоль, где могут быть использованы для клеточного метаболизма или секретироваться во внеклеточную жидкость. Когда некоторые гормоны, например инсулин, связываются с рецепторами высвобождение на поверхности клетки-мишени, гормон-рецепторные комплексы тоже могут встраиваться в окаймленные ямки, эндоцитироваться (поглощаться) и расщепляться лизосомамипротивоположной стороне. Это уменьшает плотность рецепторов, доступных необходимо для связывания с гормонамимежклеточного транспорта макромолекул через клеточные слои, на поверхности мембран. Другими словами, повышение притока гормонов регулирует (снижает) плотность рецепторовнапример через эндотелий.

— Б. Вторичный и третичный активный транспорт-== Миграция клеток == Рисунок 1[[Image:Naglydnay_fiziologiya28.14. Активный транспорт - В. Рецептор-опосредованный эндоцитоз Экзоцитоз - способ селективного экспорта макромолекул (например, ферментов поджелудочной железы) и высвобождения многих гормонов (например, гормонов задней доли гипофиза) или нейромедиаторов. Эти вещества хранятся уже в готовом виде «упакованными» в секреторные везикулы, покрытые клатрином, и ждут специального сигнала (например, увеличения концентрации Саг+ в цитозоле) для высвобождения. «Упаковочный материал» (мембраны везикул) позднее вновь эндоцитируется и рециркулируется. Слияние мембран при экзоцитозе, кроме того, помогает встраиванию связанных с везикулами белков в плазматическую мембрану. Жидкое содержимое везикулы затем автоматически опорожняется в ходе процесса, называемого конститутивным экзоцитозом (Г). При конститутивном экзоцитозе белковый комплекс коатомер (протомер окаймленной ямки) исполняет функцию клатрина (см. выше). Внутри мембраны комплекса Гольджи, GNRP (белок, высвобождающий гуаниновый нуклеотид) фосфорилирует ГДФ фактора рибозилирования АДФ (ARF) до ГТФ (Г1), что приводит к отсоединению везикул от транс-Гольджи сети. Комплексы ARF-ГТФ затем заякориваются на мембране и связываются с коа-томером (Г2), образуя везикулы, окаймленные коатомером (ГЗ). Мембраны везикул содержат v-SNARE -везикулярные белковые рецепторы, ассоциированные с синаптосомой, которые распознают t-SNARE (SNARE-ми-шени) в мембранах-мишенях (в плазматической мембране в данном случае). Это приводит к высвобождению ARF-ГТФ, диссоциации ARF-ГДФ и молекул коатомера и, в итоге, к слиянию мембран и экзоцитозу (Г4, Г5) во внеклеточное пространство. Трансцитоз - это поглощение макромолекул (таких, как белки и гормоны) путем эндоцитоза на одной стороне клетки и высвобождение на противоположной стороне. Это необходимо для межклеточного транспорта макромолекул через клеточные слои, например через эндотелийjpg|250px|thumb|right|Д. Миграция клетокКлеточная миграция]]Теоретически большинство клеток организма способны перемещаться с одного места на другое, или мигрировать (Д), но только немногие клетки это действительно делают. Сперматозоиды, вероятно, являются единственными клетками, имеющими специальный механизм для движения вперед. За счет волнообразных движений жгутика сперматозоиды могут перемещаться со скоростью до 2000 мкм/мин. Другие клетки также могут мигрировать, но с гораздо меньшей скоростью. Фибробласты, например, двигаются со скоростью примерно 1,2 мкм/мин. Если происходит повреждение тканей, фибробласты мигрируют к ране и участвуют в формировании рубца. Кроме того, миграция клеток играет роль в эмбриональном развитии. Привлеченные путем хемотаксиса, нейтрофильные гранулоциты и макрофаги могут мигрировать даже сквозь стенки сосудов, чтобы атаковать вторгшиеся бактерии. Клетки некоторых опухолей тоже могут мигрировать, или метастазировать, в различные ткани тела, тем самым распространяя свое вредное воздействие.

37== Мембранный потенциал и ионные каналы == Рисунок 1[[Image:Naglydnay_fiziologiya29.15jpg|250px|thumb|right|А. Миграция клеток Г. Конститутивный ЭКЗОЦИТОЗ Д. Клеточная миграция Мембранный Электрохимический потенциал (Ет - Е«) и ионные каналытоки]]Электрическая разность потенциалов возникает вследствие суммарного перемещения зарядов во время ионного транспорта. Диффузионный потенциал образуется, когда ионы (например, К+) диффундируют (по направлению химического градиента.) из клетки, делая внутриклеточную среду отрицательно заряженной по отношению к внешней среде. Возрастающий диффузионный потенциал затем проводит ионы назад в клетку (потенциал-за-висимый зависимый ионный транспорт). Диффузия К+ наружу из клетки продолжается до достижения равновесия. При равновесии эти две силы становятся эквивалентными и противоположно направленными. Другими словами, их сумма, или электрохимический градиент (и, таким образом, электрохимический потенциал), равна нулю, и при определенном потенциале (равновесный потенциал) дальнейшее суммарное передвижение ионов отсутствует (равновесная концентрация).

При равновесном потенциале по иону X химический градиент будет проводить так же много ионов вида X в одном направлении, как и электрический потенциал в противоположном направлении. Электрохимический потенциал (Em- Eх), или так называемая электрохимическая движущая сила, будет равен 0, и сумма ионного притока и оттока, или суммарный ток (IХ), будет также равен 0. '''Проводимость мембраны ''' (gx) - переменная, зависимая от концентрации, обычно используется для описания проницаемости клеточной мембраны для данного иона вместо коэффициента проницаемости Р (см. уравнение 1.5 на с. 28). Поскольку относится к участку мембранной поверхности, эта величина измеряется в сименсах на м2 (См = 1/0м) (уравнение 1.9). Закон Ома определяет общий ионный ток (Ix) [А • м-2] на единицу площади мембраны следующим образом:

Следовательно, /х Iх > 0, если преобладающий мембранный потенциал Ет не равен равновесному потенциалу, Еx. Это происходит после сильной кратковременной активации Nа+-К+-АТФазы (электрогенной) - гиперполяризации мембраны (А2) или в результате деполяризации, когда клеточная мембрана проводит более чем один вид ионов, например и К+, и CI-, и Na+ (АЗ). Если мембрана проницаема для различных видов ионов, общая проводимость мембраны (gm) равна сумме всех параллельных проводимостей (g1+ g2 + g3 +...). Фракционная проводимость для одного типа ионов X (fx) может быть определена как

Ет=(Ек* fk) + (ENа * fNa) + (Ecl • fcl). [1.21]

Реальные величины для нервных клеток в покое следующие: fk = 0,90, fNa = 0,03, fcl = 0,07; Ek = -90 мВ; Enа = +70 мВ; Ecl = “83 мВ. Если ввести эти значения в уравнение 1.21, мы получим Eх = = -85 мВ. Таким образом, движущая сила (электрохимический потенциал = Ет- Еx) равна +5 мВ для К+, -145 мВ для Na+ и -2 мВ для CI-. Движущая сила для входа К+, таким образом, низкая, хотя величина fk высокая. Несмотря на большую движущую силу для Na+, приток Na+ в клетку слабый, поскольку для покоящейся клетки величины gNa и fNa малы. Тем не менее токи натрия faa fNa могут сильно возрастать, когда большое количество Na+-каналов открывается во время потенциала действия.

А. Электрохимический потенциал (Ет - Е«) и ионные токи (значение /к > 0) Б. Регистрация тока через одиночный канал (метод пэтч-кламп)- Рисунок 1.16. Электрические потенциалы '''Электродиффузия'''. Потенциал, формируемый транспортом ионов одного вида, может проводить и другие катионы или анионы через клеточную мембрану, делая ее проницаемой для них. Диффузионный потенциал К+, например, приводит к притоку Ch, и это продолжается до тех пор, пока не будет достигнуто равенство Ecl = Ет. В соответствии с уравнением [1.18], это означает, что концентрация иона Ch в цитоплазме уменьшается до 1/25 его внеклеточной концентрации (пассивное распределение Ch между цитоплазмой и внеклеточной жидкостью). В примере, приведенном выше, электрохимический потенциал Cl, выводящий Cl из клетки, равен разности Ет - Ecl = -2 мВ. Это означает, что концентрация Cl в цитоплазме выше, чем при пассивном распределении Ch (Ет = Ecl). Таким образом, ионы Ch должны активно поглощаться клеткой, например, путем Na+-Сl~-симпорта -активное распределение Ch.

=== Регуляция ионных каналов (=== [[Image:Naglydnay_fiziologiya31.jpg|250px|thumb|right|В). Регуляция ионных каналов]]Вероятность открывания канала регулируется пятью основными факторами;

 - **цАМФ (например, в Са2+-каналах клеток миокарда и в Ch-каналах эпителиальных клеток), - **цГМФ (играет роль в мускаринергических эффектах ацетилхолина и в возбуждении палочек сетчатки), - **ИТФ (открытие Са2+-каналов внутриклеточных Са2+-депо), - **малые G-белки (Са2+-каналы клеточной мембраны), - **тирозинкиназы (Ch- и К+-каналы во время апоптоза), - **Са2+ (воздействие, например, на К+-каналы и степень активации быстрых №+-каналов);

41== Роль Са2+ в клеточной регуляции == Рисунок 1[[Image:Naglydnay_fiziologiya32.17jpg|250px|thumb|right|А. Электрические потенциалы II — В. Регуляция ионных каналов Роль Са2+ в клеточной регуляции]] '''Концентрация Са2+ в цитоплазме'''. Внутри клетки [Са2+]|нутр. составляет от 0,1 до 0,01 мкмоль/л, что в десятки раз ниже, чем его внеклеточная концентрация: [Ca2+]внешн. «1,3 ммоль/л. Это объясняется тем, что Са2+ постоянно откачивается из цитоплазмы во внутриклеточные депо Са2+ (эндоплазматический и саркоплазматический ретикулум (с. 23А), везикулы, митохондрии и ядро) или транспортируется из клетки. Оба процесса осуществляются посредством первичного активного транспорта (Са2+-АТФазы), а в случае удаления из клетки - путем дополнительного вторичного активного транспорта через Са2+/3Nа+-антипортеры (А1).

[[Image:Naglydnay_fiziologiya33.jpg|250px|thumb|right|Б. Колебания концентрации Са2+]]*деполяризации клеточной мембраны (нервные и мышечные клетки);

Колебания концентрации [Са2+]внутр - многочисленные кратковременные регулярно происходящие увеличения концентрации [Са2+]внутр (Са2+ пики) - происходят в ответ на некоторые стимулы или гормоны (Б). Частота (но не амплитуда) колебаний [Са2+]внутр. является количественным сигналом для клеточного ответа. Когда происходят низкочастотные колебания [Са2+]внутр, активируется, например, СаМ-киназа II. Она фосфорилирует только свои белки-мишени, после чего быстро и полностью дезактивируется (Б1, БЗ). Резкие колебания [Са2+]внутр приводят к повышению уровня аутофосфорилирования и постепенно замедляют дезактивацию фермента (БЗ). В результате, активность фермента угасает между отдельными [Са2+]внутр_внутр-пиками медленнее и медленнее, и каждый дополнительный [Са2+]внутр сигнал ведет к суммарному увеличению активности фермента (Б2). Как и потенциал действия, эта порожденная изменением частоты однократная передача сигнала по типу «все или ничего» представляет собой гораздо более ясный стимул, чем амплитуда колебания концентрации [Са2+]внутр, на которую влияет много факторов.

'''Рецепторы Са2+. ''' Внеклеточная концентрация Са2+, [Са2+]внешн, играет важную роль в свертывании крови, формировании костей, а также в нервном и мышечном возбуждении. [Са2+]внешн_ внешн строго контролируется гормонами, такими как паратгормон, кальцитриол и кальцитонин, и представляет собой обратную связь в этой регуляторной системе. Участвующие в процессе рецепторы Са2+ являются мембранными белками, которые обнаруживают высокий уровень [Са2+]внешн. на клеточной поверхности и с помощью Gq-белка посылают вторичные внутриклеточные мессенджеры - ИТФ и ДАГ (диацилглицерин) (В1). Молекулы ИТФ вызывают увеличение [Са2+]внутр в пара-фолликулярных парафолликулярных клетках (С-клетках) щитовидной железы. Это вызывает экзоцитоз кальцитонина, который снижает [Са2+]внешн (В2). С другой стороны, в паратиреоидальных клетках высокий уровень [Са2+]внешн снижает секрецию гормона, увеличивающего уровень [Са2+]внешн_. Эта активность опосредуется ДАГ и ПК-С (протеинкиназой С) и, возможно, уменьшением концентрации цАМФ в результате активации Gj-белков (ВЗ). Рецепторы Са2+ локализованы также в остеокластах, в почечном и кишечном эпителии.

Рисунок 1.18. Роль Са2+ в клеточной регуляции А. Роль Са2+ в клеточной регуляции Б. Колебания концентрации Са2+ В. Рецептор Са2+ == Выработка энергии и метаболизм == Энергия - это способность системы выполнять работу', и энергия, и работа измеряются в джоулях (Дж).[[Image:Naglydnay_fiziologiya35.jpg|250px|thumb|right|А. Энергия активации (Еа)]]Разность потенциалов (градиент потенциалов) - это так называемая «движущая сила», которая заставляет вещество выполнять работу и, в частности, перемещаться. Примером разности потенциалов и соответствующей ей работы в механике может служить выработка электроэнергии за счет потенциальной энергии воды, падающей на турбину генератора с высоты X, измеряемой в метрах (м). Электрический потенциал, измеряемый в вольтах (В), и разность молярных энергий Гиббса ΔG (Дж • моль^-1) - обе эти величины представляют собой потенциалы, отвечающие электрической и химической работе соответственно. Количество работы можно рассчитать как произведение разности потенциалов (интенсивный параметр) на соответствующий фактор емкости (экстенсивный параметр). В случае падающей воды работа равна произведению высоты падения (м) на силу тяжести, действующую на воду (Н). Или, в других терминах, произведению разности потенциалов qХ (м2 • с^-2) (интенсивный параметр, д -ускорение свободного падения) на массу падающей воды (кг) (фактор емкости). Электрическая работа равна произведению разности потенциалов (В) и перенесенного заряда (Кл); химическая работа - произведению ΔG на количество вещества (моль).

Уравнение 1.24 определяет также условия, при которых возможно протекание химической реакции. Экзергонические реакции (ΔG < 0) характеризуются выделением энергии и могут протекать самопроизвольно, тогда как в эндергонических реакциях (ΔG > 0) энергия потребляется - они не могут идти самопроизвольно. Эндотермическая реакция [ΔН > 0) — Б. Доля молекул (F) с энергией > Ра В. Аэробный синтез АТФ 45 Рисунок 1.19. Выработка энергии и метаболизм — А. Энергия активации (Еа) — может быть экзергонической (ΔG < 0), если изменение энтропии ΔS столь велико, что разность [ΔН- Т• ΔS) становится отрицательной. Это происходит, например, при эндотермическом растворении кристаллической NaCI в воде.

С учетом высоких значений Еа для многих некаталитических реакций появление биологических катализаторов, т. е. ферментов, было очень важной ступенью эволюции. Ферменты чрезвычайно ускоряют реакции благодаря уменьшению энергии активации Еа (А). Согласно уравнению Аррениуса, константа скорости k(с^-1) мономолекулярной реакции изменяется экспоненциально с температурой: e-Ea/RT. Например, если фермент уменьшает Еа мономолекулярной реакции от 126 до 63 кДж • моль^-1, константа скорости при 310 К (37 °С) увеличивается в e-63000/8,31 *310)/e-126000/(8,31 • 310) раз т е в 4 • 1010 10¹⁰ раза. Таким образом, фермент уменьшает время, необходимое для превращения 50% исходного вещества (t1/2), скажем, от 10 лет до 7 мс! Скорость прямой реакции (моль • л^-1 • с^-1) равна произведению константы скорости (с^-1) и концентрации субстрата (моль •л^-1).

'''АТФ (аденозинтрифосфат) ''' - универсальный переносчик и преобразователь энергии Гиббса. АТФ - это нуклеотид, химическую энергию которого обеспечивает метаболизм богатых энергией питательных веществ (В). Большая часть АТФ образуется в результате окисления высокоэнергетических биологических молекул, например глюкозы. Здесь окисление означает перенос электронов от электронообогащенного (восстановленного) донора, в данном случае - молекулы углевода. Конечные продукты этой реакции - СО₂ и Н₂О. В организме окисление (или перенос электронов) происходит в несколько стадий, и часть высвобождаемой энергии может одновременно затрачиваться на синтез АТФ. Это пример сопряженной реакции (В). Стандартная энергия Гиббса ΔG° гидролиза АТФ