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 exterior, iar 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.