В чем заключен потенциал мэ

Равновесный и стационарный мембранные потенциалы. Потенциал покоя

Мембранные потенциалы и их ионная природа. Потенциал покоя. Уравнение Нернста. Уравнение Гольдмана-Ходжкина-Катца.

Механизм генерации потенциала действия. Распространение потенциала действия по миелиновым и безмиелиновым нервным волокнам.

Опыты Л. Гальвани и А. Вольта во второй половине XVIII в. привели к пониманию того, что функционирование живых тканей сопровождается электрическими явлениями. В настоящее время неоспоримым является тот факт, что генерация и распространение электрических потенциалов — это важнейшее физиче­ское явление в живых клетках и тканях.

Биопотенциалом называют разность электрических потенциалов, образующуюся между двумя точками клеток, тканей и орга­нов в процессе их жизнедеятельности. Биопотенциалы отражают функциональное состояние клеток и тканей. Поэтому их регистрация и анализ являются важным приемом при физиологических исследованиях и в диагностике.

Для понимания природы мембранных потенциалов — электри­ческих потенциалов, образующихся между внутренней и внешней сторонами мембраны, рассмотрим сначала модельную систему, представляющую собой сосуд, разделенный полупроницаемой мем­браной (рис. 11.15). Предположим, в левой части сосуда содержатся ионы калия, хлора и какие-либо крупные частицы, например молекулы белка, несущие положительный заряд (раствор 1). В правой части сосуда находятся только калий и хлор (раствор 2). Мембрана способна легко пропускать неорганические анионы и катионы, но является непроницаемой для молекул белка. Цифрами указаны относитель­ные концентрации соответствующих ионов, при которых разность потен­циалов составит около 10 мВ.

Общее число частиц в растворах одинаково (сохраняется их электронейтральность), однако концентрация ионов калия во втором растворе больше (см. рис. 11.15, а). Ионы калия устремятся из раствора 2 в рас­твор 1, а вслед за ними пойдут и ионы хлора (для сохранения электронейтральности растворов). При этом концентрация ионов хлора в пер­вом растворе еще больше возрастет. Этот процесс будет продолжаться до установления равновесного состояния (так называемого равновесия Доннана). Между двумя сторонами мембраны образуется разность потенциалов, которая уравновешивает кон­центрационный градиент ионов, способных к диффузии (на рис. 11.15, б потоки соответствующих ионов указаны штриховыми стрелками). Мембранная разность потенциалов рассчитывается по формуле Нернста:

(11.35)

Здесь с₁ и с₂ — молярные концентрации ионов по обе стороны мембраны, R — универсальная газовая постоянная, Т — термодинамическая температура, при которой происходит диффузия, F — постоянная Фарадея, Z — заряд иона. Эту разность потенциалов называют равновесным мембранным потенциалом.Мембранная теория происхождения биопотенциалов была выдвинута в 1902 г. Б. Бернштейном. Действительно, в живой клетке концентрация ионов калия значительно больше, чем в межклеточной жидкости, и крупные органические молекулы практически не проникают через мембрану. Важным доводом в пользу представлений Бернштейна послужил тот факт, что рассчитанная по формуле Нернста разность потенциалов между наружной и внутрен­ней сторонами мембраны мышечного волокна оказалась близкой к измеренной в опытах с помощью внутриклеточного микроэлектрода.

Однако «калиевая теория» мембранного потенциала оказалась несовершенной, не способной объяснить наблюдаемые впоследствии факты отклонения истинных значений потенциалов на мембранах живых клеток от теоретически рассчитанных. Оказалось, что равновесный мембранный потенциал характерен лишь для мертвых клеток, либо клеток с ослабленным метаболизмом.

В настоящее время общепризнанной теорией, объясняющей возникновение и поддержание потенциала на клеточной мембране в состоянии физиологического покоя, является теория А. Ходжкина. Она была развита и экспериментально обоснована им в 50-х гг. XX в. Сущность ее заключается в том, что потенциал, существующий на мембранах невозбужденных клеток (потенциал покоя), обусловлен полупроницаемыми свойствами клеточной мембраны и неравномерным распределением ионов между клеткой и окружающей средой. Это распределение поддерживается механизмами активного переноса, локализованными в самой мембране.

При получении выражения для потенциала покоя важно учитывать знаки ионов, проникающих через мембрану. Это можно сделать, в частности, обозначая знаком плюс плотности потоков положительных ионов и знаком минус — отрицательных. Основной вклад в создание и поддержание потенциала покоя вносят ионы натрия, калия и хлора. Суммарная плотность потока этих ионов с учетом их знаков равна

(11.36)

Для живой клетки характерно не равновесное распределение веществ, но существование потоков ионов в обе стороны через мембрану. Такое состояние, при котором число различных ионов, проходящих в единицу времени через мембрану внутрь клетки, равно числу выходящих из клетки ионов, называют стационарным. Ясно, что в стационарном состоянии суммарная плотность потока ионов через мембрану равна нулю: J = 0.

Для плотности потоков положительных ионов натрия и калия и отрицательных ионов хлора запишем общее выражение на основании (11.33) и (11.34)

(11.37)

Здесь квадратными скобками [ ]_i, и [ ]₀ обозначены концентрации ионов соответственно внутри и вне клетки. Сократив (11.37) на , раскрыв выражения и перегруппировав их, получаем

Логарифмируя это выражение, находим

(11.38)

Если от безразмерного потенциала вернуться к электрическому потенциалу [см. (11.29)], то из (11.38) получаем

(11.39)

— уравнение Гольд мана — Ходжкина — Катца.

Различные концентрации ионов внутри и вне клетки созданы ионными насосами — системами активного транспорта. Можно сказать, что потенциал покоя обязан активному переносу.

Для большей наглядности рассмотрим схематично ионные пото­ки, существующие в состоянии покоя на мембране аксона кальмара (рис. 11.16). На рисунке жирными стрелками указаны потоки ионов, осуществляемые за счет активного транспорта. Пунктиром обозначены стрелки, соответствующие диффузионным потокам за счет градиентов концентрации соответствующих ионов. Обозначены также концентрации ионов натрия, калия и хлора в цитоплазме и окружающей среде.

Известно, что проницаемость мембраны для ионов калия самая высокая. В состоянии покоя соотношение коэффициентов прони­цаемости для разных ионов равно:

Вследствие этого диффузия калия и хлора идет в обе стороны. Натрий идет через мембрану за счет простой диффузии лишь в одну сторону — снаружи вовнутрь. Однако Ма + -К + -АТФаза интенсивно выводит ионы натрия из клетки, а калия — в клетку. Потенциал покоя, рассчитанный по формуле Гольдмана—Ходжкина— Катца, составляет 60 мВ со знаком минус со стороны внутриклеточного пространства.

На основании большого экспериментального материала было установлено, что величина потенциала покоя может существенно различаться для разных клеток. В таблице 19 приведены данные для различных тканей.

Таблица 19. Потенциал покоя клеточных мембран для различных тканей

Структура МЭ,критерии классификации.Осн.показ.развития МЭ.

Структура МЭ – соотношение между осн.элементами мир.хоз-ва. Кроме того под структурой понимаются важнейшие пропорции в производстве и потреблении валового продукта. Структура состоит из следующих крупных подструктур:

1.Отраслевая – соотношение между различными отраслями в экономике. Отрасль – группа производств, которая производит однородный продукт.

2.Воспроизводственная – соотношение между различными видами использования произведенного ВВП.

3.Территориальная (географическая) – соотношение экономик отдельных стран и регионов.

4.Социально-экономическая – соотношение между различными социально-экономическими укладами.

Социально-экономический уклад – определенный вид владения частной собственностью.Структуру международной экономики можно также рассматривать как соотношения различных стран разного уровня развития.

Для анализа экономического положения мира используется целый ряд показателей, характеризующих динамику и состояние МЭ. Валовой мировой продукт – выражает общий объем конечных товаров и услуг, произведенных на территории всех стран мира независимо от национальной принадлежности действующих там предприятий в определенный период времени.

В каждой отдельно взятой стране рассчитывается валовой внутренний продукт (ВВП). Он подсчитывается на основе системы национальных счетов, которая построена на концепции производительного характера всех видов деятельности. Она представляет собой совокупность международно признанных правил учета экономической деятельности и отражает основные макроэкономические связи внутреннего и внешнего секторов национальных хозяйств.

Валовой национальный продукт (ВНП)-это совокупная стоимость всего объема продукции и услуг в национальной экономике, независимо от местонахождения национальных предприятий данной страны.

ВНП (-чистый экспорт=ВВП) — амортизация= ЧНП- косвенные налоги= национальный доход — взносы на социальное страхование — налоги на доходы корпораций — нераспределенная прибыль корпораций +трансфертные платежи = личный доход — подоходный налог= располагаемый доход (потребление + сбережение).

Факторы,вл.на функц.МЭ и совр.тенденции её развития.

Причины формирования МЭ:

-Геогр. положение стран

Тенденции развития МЭ:

-Углубленное развитие межд.разд.тр. – межд.специализации и кооперирования производства

-Высокая степень интенсивности межд. движения факторов производства: капитала, рабочей силы,технологии, информации

-Глобальность сферы межд.товарного обмена,капитала потоков, трудовой миграции, информации

-Интернационализация производства и капитала

-Возникновение и развитие нац. экономик открытого типа, общая либерализация внешнеэкономических связей

-Формирование самостоятельной межд.фин.сферы,непосредственно не связанной с обслуживанием движения товаров и факторов производства

-Усиливающееся стремление к наднац.,межгос.регулированию текущих экон. и валютно-финансовых процессов в межд. масштабе

-Информатизация.Генеральной тенденцией развития MXявл. движение к созданию единого планетарного рынка капиталов, товаров и услуг,экон. сближению и объединению отдельных стран в единый мировой хоз-ый комплекс.

Сущность открытой экономики.

ОЭ — экономика, развитие которой определяется тенденциями, действующими в MX.

Последствия открытости:

Положительные:

-Разрушение торгово-экономических, валютно-финансовых препятствий между странами

-Облегчение адаптации нац. хозяйств к внешним условиям и воздействиям

-Более активное включение в межд.разделение труда

Отрицательные:

-Сильная зависимость нац.хозяйств от состояния МЭ

-«Стихийная» открытостьявл.угрозойэкономической безопасности страны
Преимущества ОЭ:

-Углубление специализациии кооперации производства

-Рациональное распределение ресурсов

-Распространение мировогоопыта через систему МЭО

-Рост конкуренции междуотечественными производителями,стимулируемый конкуренцией на мировом рынке.

Основные этапы эволюции МХ.

Мировое хозяйство-совокупность нац.хоз-в отдельных стран, участв.в междунар.разделении труда (МРТ) и связанных системой междунар.эконом.отношений (МЭО).

1.XV-XVIвв.-Великиегеографическиеоткрытия.Именно эти открытия привели к ускоренному развитию международной торговли драгоценностями, пряностями, благородными металлами, рабами. Однако мировое хозяйство этого периода было ограниченным, оставаясь сферой приложения только купеческого капитала.

2.Современное мировое хозяйство возникло после промышленного переворота, в ходе перерастания капитализма в его монополистическую стадию. С к XVIII — перв. пол. XIXвека

3.К середине XX века мировое хозяйство было расколото на две части: мировое капиталистическое и мировое социалистическое:

-С 60-х годов в систему MX вошли развивающиеся страны.

— К середине 70-х годов среди них заметно выделяются так называемые "новые индустриальные страны" Юго-Восточной Азии (первая волна — 4 "малых дракона" — Южная Корея, Тайвань, Гонконг, Сингапур) и страны Латинской Америки: Бразилия, Аргентина, Мексика.

-С к 80 — нач. 90-х гг.: развал социалистической системы и образование группы стран с переходной экономикой

Классифик.стран в МЭ.

-экономически высокоразвитые (постиндустри­альные) страны;

-экономически слаборазвитые страны или развивающиеся страны;

-страны с централизованно планируемой и пере­ходной экономикой.

В 1 группу входят:США, Канада, все страны Западной Европы, Япония, Израиль, ЮАР, Ав­стралия, Новая Зеландия. Эту группу стран от­личает высокий уровень развития экономики, преоб­ладание отраслей обрабатывающей промышленности, сферы услуг и информации. В этих странах давно гос­подствуют капитал.отношения. ВВП не мен.60%, а в некот.80%. Здесь сложился гарантир. гос. уровень соц. защиты, высокая продолжительность и качество жизни, образования и здравоохр., вы­сокий уровень развития культуры. Производят 77% всей промышленной продукции мира.

2-я группа в нее входят бол.часть стран Азии, Африки, Латинской Америки и Океании.На долю этих стран приходится 61% террито­рии мира и около 75% населения мира, но только 15,5% продукции обрабатывающей промышленности характерны: низкие темпы и уровень экон-ого разви­тия, высокие темпы роста населения, зависимость экономики от сельского хозяйства, где занято две трети экономически активного населения. В этих странах наиболее остро проявляются все глобальные проблемы.

3 группа, могут быть отнесены республики быв­шего СССР, а также ряд стран Центрально-Восточной Европы: Румыния, Болгария, Союз­ная Республика Югославия, Македония, Хорва­тия, Босния и Герцеговина, Албания, а также в Азии — Монголия. 4 гос-ва в мире остаются по-прежнему социалистическими, их также вклю­чают в эту группу: КНР, СРВ, КНДР и Респуб. Куба

МРТ и межд.разд.факт.пр-ва.

МРТ-это процесс взаимообусловленной специализации отдельных стран напроизводстве определенных товаров для их продажи на мир.рынке ведущий к созданию системы многосторонних связей и отношений между странами.

Преимущества участияв МРТ:

-Разница между мировой и внутренней (более низкой)ценой экспортируемых товаровиуслуг

-Экономия внутр.ресурсов из-за отказа от национального производства при использовании более дешевого импорта

Факторы развития МРТ

-Межд. разделение факторов производства

-Неравномерность соц.-экон. развития стран

-Деятельность ТНК(междунар.-оперирующие фирмы в двух или более странах и управляющие этими подразделениями из одного или нескольких центров.)

Факторы, влияющие на место страны в международном разделении труда:

· экономико-географическое положение страны.

2.Уровень социально-экономического развития:

· положение страны в мировой экономике;

· особенности исторического развития;

· достигнутый уровень экономики;

· тип хозяйствования (рыночное или плановое);

· законодательная база внешних связей.

3.Системный фактор (т.е. МЭ политика, какая проводится в стране)

-Межд. специализация Пр-ва

Место РБ в МРТ.

Экономика РБ участвует в МРТ и, составляя в мировом сообществе 0,15 % — на территории и 0.11% — по численности населения, занимает определенную «нишу» в мировой экономике. На долю республики приходится 14 % мирового производства калийных удобрений, 8 % — тракторов, 1,3 % — холодильников, 0,6 % — химических волокон и нитей и др. На территории СНГ республика производит 53 % химических нитей и волокон, 48 % тракторов, 31 % холодильников, 30 % трикотажных изделий, 1/4 телевизоров, обуви и минеральных удобрений.

Беларусь экспортирует 90—95 % произведенных тракторов и автомобилей, 70—75 % металлорежущих станков, 70—80 % холодильников и морозильников, 50 % телевизоров, различных товаров легкой промышленности, 80—85 % калийных удобрений, 60—80 % химических волокон и нитей.

Но в то же время приведенные данные о тенденциях развития процесса включения в мирохозяйственные связи, показателях участия в МРТ свидетельствуют о необходимости дальнейшего совершенствования международной специализации в Республике Беларусь.

Тенденции вхождения экономики Республики Беларусь в МРТ свидетельствуют:

— она занимает промежуточное положение среди государств с сырьевой направленностью и стран, производящих готовую продукцию;

-интеграция экономики Республики Беларусь в систему мирохозяйственных связей развивается на основе использования различных механизмов, среди которых ресурсно-технологический тип интеграции

Ресурсный потенциал МЭ.

Потенциал МЭ – имеющиеся в распоряжении общества возможности для создания и удовлетв.экон.благ.Функционирование национальных экономик и всего мирового хозяйства базируется на эконом.ресурсах (факторах производства) — природных, трудовых, финансовых, предпринимательских, а также научных. В совокупности экономические ресурсы образуют потенциал нац.экономики или, региона мира, или всей МЭ.

Природные ресурсы – это ресурсы, имеющиеся в распоряжении общества запасы полезных ископаемых и естественных условий жизни (природные ресурсы). Включают: энергетические, земельные и почвенные, водные, лесные, биологические, (расти­тельный и животный мир), минеральные (полезные ископаемые), климатические и рекреационные ресурсы. Природные ресурсы делятся, на возобновляемые и невозобновляемые. К возобновляемым ресурсам относятся: земельные, водные, энергетические. К невозобновляемым относятся: минеральные ресурсы.

Земельные ресурсы. Из общей площади поверхности Земли на долю суши приходится чуть больше 1/5 площади, отельно занимают моря и океаны.

Водные ресурсы. 97,5% водных ресурсов планеты приходится на соленые воды. На пресные воды приходится всего 2,5% общего объема гидросферы, а если исключить из расчета полярные льды, которые еще практически не используются, то в распоряжении человечества остается лишь 0,3% общего количества воды на земле. С каждым годом мировое водопотребление растет. Однако, в последние годы в результате мер по ресурсосбережению рост потребления воды в мире замедлился.

Лесные ресурсы. Мировые лесные ресурсы характеризуются, прежде всего, показателями лесистости, лесной площади и запаса древесины на корню.

Под трудовыми ресурсами понимают часть населения, обладающую физическим развитием, умственными способностями и знаниями, необходимыми для осуществления полезной деятельности в общественном производстве. К трудовым ресурсам отно­сят население в трудоспособном возрасте; работающих лиц пен­сионного возраста; работающих подростков моложе трудоспособ­ного возраста.

Научные ресурсы (научно-технический потенциал, наука) оп­ределяют возможности той или иной страны осуществлять у себя научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы (НИОКР).

На научно-технический потенциал страны, его состояние тенденции развития влияют две группы факторов. Первую группу образуют количественные факторы — наличие в стране подготов­ленных научных исследователей, а также материально-техничес­кое обеспечение НИОКР, прежде всего, объем выделяемых на науку и научное обслуживание финансовых ресурсов. Вторая группа факторов (качественных) включает систему организации НИОКР, приоритеты научных разработок, а также уровень раз­вития такой отрасли, как научное обслуживание.

Отраслевая структура МЭ.

Отраслевая структура – это соотношение между различными отраслями в экономике.

Отрасль– группа производств, которая производит однородный продукт.

В макроэкономическом анализе выделяют пять основных групп отраслей:

2.Сельское хозяйство (АПК)

5.Непроизводственная инфраструктура (сфера услуг).

Отрасли в современной МЭ:

-первичные отрасли — сельское хозяйство и добывающая промышленность (1-4%)

— вторичные отрасли — обрабатывающая промышленность и строительство (использующие первичное сырье) (25-30 %)

— третичный сектор — производственная и непроизводственная инфраструктура (до 70-80 %).

Глобализация.

Глобализация– как исторический процесс, развивающийся на протяжении многих столетий становления земной цивилизации, предопределяющий проявление и действие общеобъединяющих культурно-экономических тенденций в мире.

Глобализация,как более тесное и широкое взаимодействие государств и международных организаций в оценке состояния и поисках решений обостряющихся проблем, затрагивающих интересы не только отдельных государств, но и всего человечества, совокупность таких процессов и явлений, как трансграничные потоки товаров, услуг, капитала, технологии, информации и межстрановое перемещение людей.

Выделим следующие факторы, обусловливающие развитие глобализации:

Экономический –международный маркетинг, электронная торговля, международная логистика.

Политический – государственные границы постепенно становятся все более прозрачными, предоставляя все больше возможностей для свободы передвижения людей, товаров, услуг и капитала.

Международный – увязывает динамику глобализации с датами крупных международных событий, стимулирующих процесс глобализации.

Технический– развитие современных средств транспорта, информационных систем и технологий, связи и телекоммуникаций, гибких автоматизированных производств, которые создают невиданные прежде возможности для быстрого распространения информации, технологий, товаров, финансовых ресурсов.

Общественный – ослабление роли традиций, социальных связей и обычаев способствует нарастанию мобильности людей в географическом, духовном и эмоциональном смысле.

Либерализация, урегулирование рынков товаров и капитала, смягчение и унификация либерализация таможенного, торгового, налогового законодательства многих стран также усилили экономическую взаимозависимость национальных хозяйств и их хозяйствующих субъектов.

Глобализация развивается в следующих основных направлениях:

1.Международная торговля:

-объектами интеллектуальной собственности.

2. Международное движение факторов производства:

-капитала ( в виде прямых иностранных инвестиций);

-рабочей силы ( в виде стихийных миграций неквалифицированных и малоквалифиованих рабочих и в виде “ утечки мозгов”).

3. Международные финансовые операции:

-кредиты (частные, государственные, международных организаций);

-основные ценные бумаги (акции, облигации и др.);

-производные финансовые инструменты;

Отметим прежде всего общую закономерность: все сферы международной экономики по темпам роста опережают темпы роста реального сектора, т.е. валового внутреннего продукта. Отсюда рост их удельного веса (их доли, или квот) в ВВП: это касается и торговли, и движения капитала, и финансовых операций.

Среди указанных трех направлений быстрее всего увеличивается объем международных финансовых операций, затем следует международное движение капитала (прямые инвестиции) и, наконец, международная торговля. Вместе с тем в рамках финансового направления особенно стремительно растут валютные операции и объем международных сделок с ценными бумагами (включая производные финансовые инструменты), процесс, отражающий все большую секьюритизацию современных финансовых рынков (и внутренних и международных).

Что касается прямых иностранных инвестиций, то их рост превосходит темпы роста международной торговли, в которой опережающими темпами увеличивается торговля услугами, технологиями, объектами интеллектуальной собственности.

Теории междун.торговли.

Теория абсолютных преимуществ(А.Смит). Страны экспортируют те товары,которые они производят с меньшимииздержками (в производстве которых ониимеют абсолютное преимущество), иимпортируют те товары, которые производятсядругими странами с меньшими издержками (в
производстве которых абсолютноепреимущество принадлежит торговым партнерам).Недостаток. Она не отвечает на вопрос, что делать странам не обладающим абсолютным преимуществом, и почему такие страны торгуют между собой.

Теория сравнительных преимуществ (Д.Рцкардо). Альтернативная цена — рабочее время, необходимое для производства ед. одного товара, выраженное через рабочее время, необходимое для пр-ва ед. другого товара. Суть теории — если страны специализируются в производстве тех товаров, которые они могут производить с относительноболее низкими издержками по сравнению с другими странами, то торговля будет взаимовыгодной для обеих стран, независимо оттого, является ли пр-во в одной из них абсолютно более эффективным, чем в другой. Недостаток. Она не отвечает на вопрос, откуда у страны возникают преимущества.

Теория отношений факторов производства(Э.Хекшер, Б.Олин). Фактороинтенсивность–показатель, определяющий относительные затраты факторов пр-ва на создание определенного товара. Факторонасыщенность– показатель, определяющий относительную обеспеченность страны факторами пр-ва.

Теорема Хекшера-Олина: каждая страна экспортирует те фактороинтенсивные товары, при пр-ве которых она обладает относительно избыточными факторами пр-ва, и импортирует те товары, при пр-ве которых она испытывает относительный недостаток факторов пр-ва.

Междун.торговля услугами.

Мировая торговля услугами – обмен на основе купли и продажи различных видов чел. деятельности, которые не имеют своего материального вещественного содержания.

Классификация услуг (ГАТТ ВТО): 160 видов услуг, которые объединены в 12 секторов:

1. деловые услуги

2. услуги связи (25 видов)

3. строительные и инженерные услуги

4. дестрибьюторские (5 видов)

5. общеобразовательные (5 видов)

6. услуги по защите окружающей среды

7. финансовые, включая страхование

8. услуги по охране здоровья и соц. Услуг

9. туризм и путешествие

10. услуги в области организации досуга, культуры и спорта 11. транспортные услуги

12. прочие услуги

Проблемы междун. торговой услуги:

— разные стандарты, подходы при классификации услуг

— сложности при учёте различных видов услуг

Особенности или услуги в междун. торговли услугами:

1. более широкое распространение протекционизма (защиты) по сравнению с торговлей товарами.

2. значительная роль ТНК на мировом рынке услуг.

3. постепенная либерализация в оказании услуг на мировом рынке под воздействием мировых и региональных организаций.

4. усиление регулирующих начал в междун. торговли услугами.

Тенденции развития междун. торговли услугами:

— темп роста торговли услугами привышают темпы роста торговли товароми.

— географическое распределение преобладание развитых стран в междун. торговле услугами.

— структура торговой услуги: 90% торг.

Услугами приходится на 4 основные группы:

1. транспортные услуги

2. туристические услуги

3. телекоммукативные услуги

4. Банковски и финансовые услуги

— США: 14% экспорта услуг

— США: 10.5% мирового импорта

Протекционизм

Протекционизм — экономическая политика гос-ва, направленная на поощрение развития национальной экономики и ее защиту от иностранной конкуренции путем установления различного рода ограничений на пути импортных товаров.

Виды протекционизма: селективный,отраслевой, коллективный, скрытый.

Междун.миграция капитала.

На современном этапе развития мирового хозяйства одним из основных факторов развития международных экономических отношений является вывоз капитала, его международные перемещения. Масштабы и значимость международного движения капитала достигают такого уровня, что данный процесс можно рассматривать как особую форму МЭО. Для возникновения экспорта капитала требуется значительное накопление его в странах.

Капитал — это запас материальных благ длительного пользования, необходимый для производства других товаров.

Под международным движением капитала понимают перемещение капитала в денежной форме. Таким образом, суть движения капитала состоит в том, что за рубеж вывозится не акт реализации прибыли, заключенной в цене товара, а сам процесс её создания.

ѕ относительный его избыток в данной стране, перенакопление капитала;

ѕ разная предельная производительность капитала, определяемая процентной ставкой. Капитал движется оттуда, где его производительность ниже, туда, где она выше;

ѕ наличие таможенных барьеров, которые мешают ввозу товаров и тем самым подталкивают зарубежных поставщиков к ввозу капитала для проникновения на рынок;

ѕ стремление фирм к географической диверсификации производства;

ѕ растущий экспорт товаров, вызывающий спрос на капитал;

ѕ несовпадение спроса на национальный капитал и его предложение в различных сферах и отраслях экономики страны;

ѕ возможность монополизации местного рынка;

ѕ наличие в странах ввоза капитала более дешевого сырья или рабочей силы;

ѕ стабильная политическая обстановка и в целом благоприятный инвестиционный климат.

последствия миграции капитала:

— миграция капитала происходит в поисках наиболее выгодных зон его вложения, что позволяет увеличить инвестиционную активность ее субъектов и темпы роста мировой экономики;

— она стимулирует дальнейшее развитие международного разделения труда и на этой основе процессы международной экономической кооперации;

— в результате увеличения масштабов деятельности международных корпораций увеличивается товарообмен между странами, стимулируя развитие мировой торговли;

— взаимное проникновение капитала между странами укрепляет процессы международного сотрудничества, в определенной степени является гарантом взаимовыгодности проводимой странами внешнеэкономической политики.

В числе новых тенденций в процессе международной миграции капитала можно выделить следующие.

1. Экспорт частного капитала растет более быстрыми темпами по сравнению с ростом вывоза государственного капитала.

2. Крупными импортерами капитала стали США. Примерно 5 млн. американцев работают сейчас на предприятиях, принадлежащих иностранным инвесторам.

3. Четко прослеживается тенденция перекрестной миграции капитала в рамках промышленно развитых стран.

На долю промышленно развитых стран в целом приходится более 70% всех иностранных инвестиций. Такое положение объясняется тем, что прогрессирующими отраслями являются автомобилестроение, электронная и электротехническая промышленность, телекоммуникации и связь, информационные технологии, для развития которых требуется квалифицированная рабочая сила и высокая платежеспособность населения.

4. В качестве экспортеров капитала выступает ряд развивающихся стран (Сингапур, Сянган (Гонконг), Республика Корея, Саудовская Аравия, Бразилия и ряд других стран). Нельзя не заметить, что ведущие страны ОПЕК в основном экспортируют ссудный капитал (преимущественно в США). Причем объемы экспорта ссудного капитала из этих стран зависят от мировых цен на нефть и нефтепродукты.

5. Все больше в процесс миграции капитала вовлекаются бывшие социалистические страны, особенно Польша, Венгрия, Чехия, а также КНР. Включились в этот процесс Россия и другие страны СНГ.

Рынок межд.капитала.

Отличительной чертой современной мировой экономики является глобализация, основной движущей силой которой принято считать международное движение капитала. Трансграничное перемещение капитала не происходит хаотично, оно организовано в рамках международного рынка капитала (МРК). В зависимости от используемых финансовых инструментов с определенной долей условности можно выделить следующие основные составляющие МРК:

• денежный рынок — касается в первую очередь международных депозитных и кредитных, а также валютообменных операций;

• рынок ценных бумаг — акций и облигаций (в том числе государственных);

• рынок производных финансовых инструментов (деривативов) — контрактов, устанавливающих права и обязанности в отношении базисных (первичных) активов — ценных бумаг, валют, процентных ставок, от-дельных видов сырья.

Кроме этого, в организационную структуру МРК необходимо включать и международные платежные (клиринговые) системы, которые позволяют производить расчеты по операциям, совершаемым на различных сегментах рынка капитала. МРК можно структурировать и другим образом, например, по характеру инвестиционных потоков — на рынки прямых, портфельных и прочих инвестиций. Однако данная и иные альтернативные классификации не позволяют изучить особенности развития МРК в целом как определенного рода системы.

Междун.миграция раб.силы.

Международная миграция рабочей силы — это перемещение людей через границы определенных территориисо сменой постоянного места жительства или возвращением к нему в целях поиска работы.

Все перемещения населения относительно каждой территории слагаются из эмиграционных и иммиграционных потоков. Эмиграция— это выбытие за границу, а иммиграция — прибытие из-за границы.

Международная (внешняя) миграция существует в разных формах: трудовой, семейной, рекреационной, туристической и др.

Миграция рабочей силы происходит под воздействием двух групп факторов:

неэкономических, например, политико-правовых, религиозных, этнических, семейных. В последние десятилетия серьезное влияние стали оказывать такие факторы, как экологические, образовательно-культурные, психологические;

экономических:

различные в уровне экономического развития стран, что влечет за собой и различную стоимость рабочей силы;

состояние национального рынка труда;

структурная перестройка экономики.

НТП, развитие которого сопровождается ростом потребностей в квалифицированной рабочей силе;

вывоз капитала, функционирование ТНК.

На миграционные процессы влияет качество рабочей силы, её конкурентоспособность.

Конкурентоспособность рабочей силы рассматривается как совокупность ее свойств, проявляющихся в процессе трудовой деятельности и включающих в себя профессионализм и личностные характеристики работника, отражающие его физиологические особенности, мобильность, адаптированность и др.

Ситуация на рынках рабочей силы определяется многими факторами, связанными с особенностями социально-экономического развития, изменениями в технологической базе производства, демографической обстановкой.

Межд.экон.орг.системы ООН.

В настоящее время насчитывается более 4 тысяч международных организаций, из них более 300 – межправительственные. В центре их находится ООН.

Для межгосударственной организации характерны следующие признаки: членство государств; наличие учредительного международного договора; постоянные органы; уважение суверенитета; государств-членов.

По кругу участников международные организации подразделяются на универсальные (ООН, ее специализированные учреждения) и региональные (Организация африканского единства, Организация американских государств).

Также существует иная классификация международных экономических организаций: в зависимости от направлений деятельности они делятся на универсальные и специализированные.

К универсальным международным экономическим организациям относятся:

•Экономический и Социальный совет ООН (ЭКОСОС)

•Всемирная торговая организация (ВТО)

•Организация экономического сотрудничества и развития (ОЭСР)

•Азиатско-тихоокеанское экономическое сотрудничество (АТЭС)

•другие универсальные экономические организации

К специализированным международным экономическим организациям относятся организации, в сферу деятельности которых входит определенный более узкий круг экономических отношений. Примерами таких организаций являются:

•Всемирная организация интеллектуальной собственности

•Международная ассоциация воздушного транспорта

•Всемирная туристическая организация

•Международный союз газовиков

•Организация стран-экспортеров нефти (ОПЕК)

•Международный институт статистики

•другие специализированные экономические организации

В особую группу международных экономических организаций можно выделить международные финансовые организации:

•Международный валютный фонд (МВФ)

•Группа Всемирного банка

•Европейский банк реконструкции и развития

•Азиатский банк развития

•Арабский валютный фонд

•Евразийский банк развития

•другие международные финансовые организации

В настоящее время насчитывается более 4 тысяч международных организаций, из них более 300 – межправительственные. В центре их находится ООН.

Для межгосударственной организации характерны следующие признаки: членство государств; наличие учредительного международного договора; постоянные органы; уважение суверенитета; государств-членов.

По кругу участников международные организации подразделяются на универсальные (ООН, ее специализированные учреждения) и региональные (Организация африканского единства, Организация американских государств).

Также существует иная классификация международных экономических организаций: в зависимости от направлений деятельности они делятся на универсальные и специализированные.

К универсальным международным экономическим организациям относятся:

•Экономический и Социальный совет ООН (ЭКОСОС)

•Всемирная торговая организация (ВТО)

•Организация экономического сотрудничества и развития (ОЭСР)

•Азиатско-тихоокеанское экономическое сотрудничество (АТЭС)

•другие универсальные экономические организации

К специализированным международным экономическим организациям относятся организации, в сферу деятельности которых входит определенный более узкий круг экономических отношений. Примерами таких организаций являются:

•Всемирная организация интеллектуальной собственности

•Международная ассоциация воздушного транспорта

•Всемирная туристическая организация

•Международный союз газовиков

•Организация стран-экспортеров нефти (ОПЕК)

•Международный институт статистики

•другие специализированные экономические организации

В особую группу международных экономических организаций можно выделить международные финансовые организации:

•Международный валютный фонд (МВФ)

•Группа Всемирного банка

•Европейский банк реконструкции и развития

•Азиатский банк развития

•Арабский валютный фонд

•Евразийский банк развития

•другие международные финансовые организации

Структура МЭ,критерии классификации.Осн.показ.развития МЭ.

Структура МЭ – соотношение между осн.элементами мир.хоз-ва. Кроме того под структурой понимаются важнейшие пропорции в производстве и потреблении валового продукта. Структура состоит из следующих крупных подструктур:

1.Отраслевая – соотношение между различными отраслями в экономике. Отрасль – группа производств, которая производит однородный продукт.

2.Воспроизводственная – соотношение между различными видами использования произведенного ВВП.

3.Территориальная (географическая) – соотношение экономик отдельных стран и регионов.

4.Социально-экономическая – соотношение между различными социально-экономическими укладами.

Социально-экономический уклад – определенный вид владения частной собственностью.Структуру международной экономики можно также рассматривать как соотношения различных стран разного уровня развития.

Для анализа экономического положения мира используется целый ряд показателей, характеризующих динамику и состояние МЭ. Валовой мировой продукт – выражает общий объем конечных товаров и услуг, произведенных на территории всех стран мира независимо от национальной принадлежности действующих там предприятий в определенный период времени.

В каждой отдельно взятой стране рассчитывается валовой внутренний продукт (ВВП). Он подсчитывается на основе системы национальных счетов, которая построена на концепции производительного характера всех видов деятельности. Она представляет собой совокупность международно признанных правил учета экономической деятельности и отражает основные макроэкономические связи внутреннего и внешнего секторов национальных хозяйств.

Валовой национальный продукт (ВНП)-это совокупная стоимость всего объема продукции и услуг в национальной экономике, независимо от местонахождения национальных предприятий данной страны.

ВНП (-чистый экспорт=ВВП) — амортизация= ЧНП- косвенные налоги= национальный доход — взносы на социальное страхование — налоги на доходы корпораций — нераспределенная прибыль корпораций +трансфертные платежи = личный доход — подоходный налог= располагаемый доход (потребление + сбережение).

Потенциалы электромагнитного поля

Напомним, что в теории статических полей вводятся вспомогательные функции: скалярный потенциал электрического поля и векторный потенциал магнитного поля таким образом, что:

, (3.3 .1)

, (3.3.2)

В электродинамике для описания электромагнитных полей тоже вводятся скалярный и векторный электродинамические потенциалы. Введение потенциалов электромагнитного поля позволяет значительно облегчить решение ряда задач электродинамики. В начале этой главы мы уже говорили о том, что потенциалы определяют энергию заряженной частицы в электромагнитном поле, напряженность поля определяет силу, с которой поле действует на частицу. Сила, которая действует на частицу, движущуюся в электрическом и магнитном полях, определяется формулой:

(3.3.3)

Где Q – заряд частицы, v – её скорость.

Формула (3.3.3) носит название формулы Лоренца. Она широко используется при динамическом расчете движения заряженных частиц (электронов или ионов) в электрическом и магнитном полях. При решении задач квантовой механики силы, действующие на частицы, как правило, в расчет не принимаются. Для расчета квантовых состояний частиц в электрическом и магнитном полях в соответствующие уравнения вводятся скалярный и векторный электродинамические потенциалы.

Роль, которую играют потенциалы и в электродинамике и квантовой механике, хорошо описана в уже упомянутых Фейнмановских лекциях по физике (том 6 «Электродинамика» и том 9 «Квантовая механика» изд. «Мир», Москва 1966 и 1967 гг.).

Рассмотрим, как потенциалы и связаны с векторами напряженности электрического и магнитного полей, и найдем уравнения, которым удовлетворяют эти потенциалы. Для этого будем использовать уравнения Максвелла.

Зададим векторный потенциал так, как это делается для статических полей (3.3.2). Подстановка (3.3.2) в уравнение Максвелла:

Приводит к следующему равенству:

. (3.3.4)

Используя тождество векторной алгебры , функцию, стоящую в (3.3.4) в скобках, можно приравнять градиенту некоторого скаляра.

. (3.3.5)

Разумно положить, что этот скаляр есть скалярный потенциал электрического поля. Тогда в статическом случае, когда производная по времени рана нулю, соотношение (3.3.5) превращается в уже принятое соотношение (3.3.1).

Таким образом, мы поучили выражение для напряженности электрического поля, изменяющегося во времени:

(3.3.6)

Согласно выражению (3.3.6), напряженность электрического поля может быть разделена на вихревую и потенциальную части, причем вихревая часть имеет место только в случае изменяющихся во времени полей.

Таким образом, напряженности поля и выражаются через электродинамические потенциалы и с помощью соотношений (3.3.2) и (3.3.6), и для описания электромагнитных полей достаточно знать 4 потенциальные функции: три проекции и .

Получим дифференциальные уравнения для электродинамических потенциалов и . Для этого в уравнения Максвелла

Подставим выражения (3.3.2) и (3.3.6)

(3.3.7)

Воспользуемся известным соотношением векторной алгебры: . Тогда (3.3.7) можно переписать так:

(3.3.8)

Дифференциальные уравнения (3.3.8) связывают электродинамические потенциалы ( и ) с источниками: зарядами и токами ( и ).

Наложим дополнительное условие, позволяющее разделить уравнения для потенциалов:

(3.3.9)

Это условие (3.3.9) называется Условием калибровки Лоренца. Используя калибровку Лоренца, можем систему уравнений (3.3.8) переписать в более простом виде:

(3.3.10)

Эти уравнения описывают те же физические процессы, которые описывают уравнения Максвелла. Система уравнений (3.3.10) образована двумя уравнениями. Такое разделение уравнений оправдано физически: в уравнение для входит плотность тока, (токи являются источниками магнитных полей), а в уравнение для входит плотность зарядов, (заряды являются источниками и стоками электрического поля). Уравнения (3.3.10) могут быть записаны как 4 скалярных дифференциальных уравнения для потенциалов с одинаковой формой для всех четырех функций ,. При и уравнения (3.3.10) переходят в волновые уравнения, которые для гармонических колебаний примут вид:

(3.3.11)

В отсутствии временной зависимости уравнения (3.3.11) переходят в уравнения магнитостатики и уравнения Пуассона

(3.3.12)

При отсутствии источников ( и ) уравнения Пуассона превращаются в уравнения Лапласса

(3.3.13)

В отсутствии временной зависимости калибровка Лоренца (3.3.9) принимает следующий вид:

(3.3.14)

И носит название «Калибровка Кулона».

При решении задач техники СВЧ, как правили, бывает достаточно решить задачу относительно одной из четырех функций координат,. Выбранная функция является скаляром, что сильно упрощает решение используемых дифференциальных уравнений. Подчеркнём здесь, что решение дифференциальных уравнений требует формулировки граничных условий. В следующих главах нашего курса мы будем рассматривать различные волноведущие структуры и находить их свойства путем решения дифференциальных уравнений относительно одной из названных выше четырех функций координат,. При решении этих задач мы будем формулировать необходимые граничные условия. Получив решение относительно избранного электродинамического потенциала, компоненты векторов электрического и магнитного полей можно найти с помощью приведенных выше соотношений (3.3.2) и (3.3.6).

Еще один векторный потенциал

При решении некоторых задач техники СВЧ заранее известно, что электрическое поле носит вихревой характер, то есть скалярный потенциал

J = 0. При этом из (3.3.6) и (3.3.9) получаем:

(3.3.15)

(3.3.16)

Вспоминая, что div(rot />) = 0, где />Произвольная векторная функция, можем заключить, что из (3.3.16) и (3.3.15) следует, что

. (3.3.17)

Здесь вектор Представляет собой «электрический» векторный потенциал в отличие от традиционного «магнитного» векторного потенциала . Подставляя (3.3.17) в уравнения Максвелла, найдем, что вектор , как и вектор , удовлетворяет волновому уравнению. Найдя решение волнового уравнения для одной из компонент Fx, Fy, Fz, находим компоненты вектора напряженности электрического поля с помощью соотношения (3.3.17) и далее компоненты вектора напряженности магнитного поля с помощью соответствующего уравнения Максвелла. В определенных случаях использование «электрического» векторного потенциала Облегчает решение соответствующих электродинамических задач.

Мембранный потенциал

Химический состав живых клеток отличается от внешней среды, причем различия есть не только в сложных молекулах, таких как белки и нуклеиновые кислоты, но и в ионах. Например, во внеклеточной среде преобладают ионы натрия, а в клетке — ионы калия, причем последних на порядок больше. Сама по себе плазматическая мембрана клеток практически непроницаема для ионов, и поэтому для их переноса через мембрану существуют специальные транспортные механизмы — встроенные в мембрану белки. В геноме человека более 800 генов ионных каналов и транспортеров, а общую долю генов, вовлеченных в трансмембранный транспорт, оценивают в 10 % от всех генов, кодирующих белки [1] . В этой серии статей мы рассмотрим механизмы трансмембранного переноса ионов и разнообразие реализуемых ими клеточных функций. Мы также уделим внимание патологиям, вызванным мутациями в генах, кодирующих соответствующие каналы и транспортеры.

Потенциал покоя

Представим себе электрохимическую ячейку — сосуд, разделенный пополам полупроницаемой мембраной, в левой части которого находится 1,0 М раствор KCl, а в правой — 0,1 М KCl. Через мембрану могут проходить катионы K + , но не анионы Cl − . Ионы K + в результате процесса диффузии будут переходить из левого отсека в правый по градиенту концентрации*, тогда как ионы Cl − , неспособные последовать за катионами, останутся в исходном отсеке. Благодаря такому разделению зарядов на мембране будет накапливаться электрохимический потенциал: избыток анионов с левой стороны мембраны и избыток катионов с правой. Этот потенциал можно измерить, опустив в отсеки электроды, подсоединенные к вольтметру.

Асимметричный поток катионов не будет продолжаться бесконечно: накопленный электрический потенциал (с избытком положительного заряда с левой стороны мембраны) будет противодействовать диффузии ионов калия в левый отсек. Через некоторое время поток ионов K + из правого отсека в левый сравняется по скорости с потоком из левого отсека в правый, и система достигнет равновесия. Для математического описания подобного равновесия применяют уравнение Нернста (рис. 1).

Рисунок 1 | Электрохимическая ячейка. V — вольтметр. Справа приведено уравнение Нернста, где E_eq — равновесный потенциал; E₁ – E₂ — разность потенциалов по обе стороны мембраны; R = 8,314 Дж/(моль·K) — универсальная газовая постоянная; T — абсолютная температура (в кельвинах); F = 96485,55 Кл·моль –1 — константа Фарадея; z — степень окисления иона (его заряд); [C]_{1, 2} — равновесные концентрации ионов по обе стороны мембраны.

Если принять, что равновесные концентрации ионов K + в нашем примере равны начальным, разность потенциала на мембране при 25 °C приблизительно равна –58 мВ.

Рисунок 2 | Клетка как электрохимическая ячейка. Справа приведены концентрации основных ионов внутри и вне клетки [2] .

Теперь представим, что левая часть нашей электрохимической ячейки — это живая клетка, а правая — внешняя среда. Добавим к этой картине концентрации других физиологически значимых ионов. На мембране клетки также будет накапливаться электрохимический потенциал. Величину электрической составляющей мембранного потенциала измеряют относительно потенциала вне клетки, принимая его за ноль.

В первом приближении можно сказать, что мембрана клетки проницаема для калия и непроницаема для других катионов (Na + , Ca 2+ ) и анионов (в первую очередь для Cl – и отрицательно заряженных участков макромолекул). Ионы калия, выходя из клетки, создают потенциал покоя. Его величина достаточно близка к значению равновесного потенциала для K + , однако строго не равна ему, поскольку в реальности другие катионы и Cl – могут участвовать в формировании потенциала покоя в различных типах клеток. Вычислив равновесные потенциалы для основных ионов, мы получим динамический диапазон величины потенциала на мембране клетки: он не может быть более отрицательным, чем E_K, и не может достигать более положительных значений на пике потенциала действия, чем E_Ca. Причина такого поведения кроется в том, что система стремится к равновесию, и при малейших отклонениях мембранного потенциала в сторону более отрицательных значений, чем E_K, K + будет двигаться по электрохимическому градиенту внутрь клетки, возвращая мембранный потенциал к равновесному потенциалу для калия.

Рисунок 3 | Диапазон возможных значений мембранного потенциала от Е_K до E_Ca (показан голубым цветом).

Величина потенциала покоя зависит от типа клеток и равна около –30 мВ в невозбудимых клетках и около –80 мВ в возбудимых клетках (нейроны, мышечные и эндокринные клетки). Когда мембранный потенциал более отрицателен, чем потенциал покоя, говорят, что мембрана гиперполяризована, а когда он приближается к нулю или даже принимает положительные значения, говорят о деполяризации мембраны.

В общем случае мембранный потенциал можно вычислить согласно уравнению Гольдмана-Ходжкина-Катца, которое принимает в расчет все основные катионы и анионы:

где E — мембранный потенциал; R = 8,314 Дж/(моль·K) — универсальная газовая постоянная; T — абсолютная температура; F = 96485,55 Кл·моль –1 — константа Фарадея; P_X — проницаемость мембраны для иона X; [C]_{in, out} — равновесные концентрации ионов внутри и вне клетки. N.B.: для анионов внеклеточная концентрация стоит в знаменателе, а внутриклеточная — в числителе.

Что же обеспечивает проницаемость мембраны для ионов? Заряженные частицы не могут самостоятельно пересекать гидрофобный внутренний слой плазматической мембраны, и поэтому требуются специальные белки, образующие гидрофильную пору, через которую ионы могут двигаться через мембрану. Такие белки называются ионными каналами. Основной вклад в поддержание потенциала покоя вносят калиевые каналы семейств K_ir (inward rectifying K + channels — калиевые каналы внутреннего выпрямления) и K_2P (two—pore domain K + channels — калиевые каналы с двумя поровыми доменами, которые часто называют каналами утечки), а каналы других семейств могут обеспечивать быстрое изменение мембранного потенциала в возбудимых клетках. Каналы могут селективно пропускать определенный тип ионов, например, K + (как каналы семейства K_ir), или более широкий спектр веществ, как, например, коннексины — белки щелевых контактов.

Каналы бывают потенциал-зависимые (потенциал-управляемые), лиганд-зависимые, термо- и механочувствительные — в зависимости от стимула, который управляет открытием и закрытием канала. В роли стимула, таким образом, могут выступать изменения мембранного потенциала, химические агенты, температура, свет, механические и другие стимулы. Один и тот же канал может открываться под действием различных эндо- и экзогенных стимулов. Так, канал TRPV1 активируется повышением температуры более 43 °C [3] , кислым pH [4] и разнообразными химическими веществами: капсаицином (алкалоид из перцев рода Capsicum) [3] , эндоканнабиноидом анандамидом [5] , окситоцином [6] и др.

Физиологическая роль каналов крайне важна. К примеру, мутации в генах, кодирующих белки ионных каналов, лежат в основе патогенеза многих заболеваний человека: некоторых видов эпилепсии [7] , муковисцидоза [8] , некоторых аритмий [9, 10] и др. Ионные каналы служат мишенями действия многих лекарств, ядов и токсинов.

Однако для формирования потенциала покоя недостаточно одних лишь каналов, ведь нужно создавать и поддерживать концентрационные градиенты на мембране. Основной механизм поддержания градиентов концентрации калия и натрия — это Na/K-АТФаза, фермент, за счет гидролиза одной молекулы АТФ переносящий три Na + наружу и два K + внутрь клетки. Она осуществляет электрогенный транспорт: в каждом транспортном цикле при переносе одного дополнительного положительного заряда наружу генерируется некоторая разность потенциалов на мембране. Чтобы оценить этот вклад Na/K-АТФазы в поддержание потенциала покоя, можно заблокировать работу фермента алкалоидом оубаином. Тогда мембрана деполяризуется примерно на 10 мВ [11] .

Рисунок 4 | Структура Na/K-АТФазы, полученная методом рентгеновской кристаллографии. Синим цветом показана α-субъединица, красным — γ-субъединица; β-субъединица показана бежевым цветом. Внеклеточная часть β-субъединицы показана в виде электронной плотности. Альфа-спирали изображены цилиндрами, бета-слои — плоскими стрелками [12] .

Активный и пассивный транспорт веществ через мембрану

Процессы транспорта веществ через мембрану можно классифицировать по источнику энергии для транспорта. Пассивный транспорт — это движение вещества через канал или транспортер по градиенту концентрации*, то есть за счет энергии электрохимического градиента. Таким способом через калиевые каналы пассивно движутся ионы калия, или осуществляется перенос глюкозы через транспортер GLUT4 (такой тип транспорта еще называют облегченной диффузией, а транспортеры, переносящие только один субстрат — унипортерами). Кроме пассивного транспорта, существует активный транспорт, при котором субстраты переносятся против градиента концентрации с затратой энергии, запасенной клеткой в виде АТФ (например, Na/K-АТФаза).

Некоторые транспортеры сопрягают перенос ионов или молекул против градиента концентрации с движением ионов по градиенту концентрации. Симпортеры переносят различные частицы в одном направлении (например, KCC2 — K—Cl cotransporter 2 — K/Cl котранспортер 2), а антипортеры, или обменники, — в противоположных (например, NHE-1 — Na/H exchanger 1 — Na/H обменник, участвующий в поддержании клеточного pH). Такой транспорт называется вторично-активным.

Рисунок 5 | Пассивный и активный транспорт веществ через мембрану. Треугольниками показаны концентрационные градиенты. Черными стрелками показано движение по градиенту концентрации, красными — против градиента концентрации. По [13], с изменениями.

В старой литературе можно встретить концепцию «белков-переносчиков»: до открытия молекулярной идентичности многих каналов и транспортеров (т. е. какая молекула опосредует данный ионный ток и какой ген ее кодирует) существовало представление о переносчиках как о челноках, связывающих субстраты с одной стороны мембраны, диффундирующих через мембрану и высвобождающих субстраты с другой стороны. Однако, когда стали известны аминокислотные последовательности транспортных белков, стало понятно, что все они часто содержат многочисленные трансмембранные домены и образуют сквозной путь через мембрану.

Различия между каналами, транспортерами и насосами заключаются в механизме их работы и регуляции. Каналы представляют собой более или менее селективную пору, через которую ионы могут свободно диффундировать, не вызывая конформационных изменений в белке канала. При токе через отдельный канал в 1 пА по нему проходят 6×10 6 одновалентных ионов в секунду. Транспортер, связываясь с субстратом, изменяет свою конформацию для переноса субстрата. При ко-транспорте повышается аффинность транспортера в новой конформации к второму субстрату, и субстраты переносятся через мембрану сопряженно. Насосы, также называемые АТФазами, (ауто)фосфорилируются АТФ, и это фосфорилирование значительно изменяет их конформацию и приводит к транслокации субстратов через мембрану. Электрическая проводимость насосов очень мала: Na/K-АТФаза переносит всего около 300 Na + и 200 K + в секунду.

Граница между молекулами каналов и транспортеров не всегда строга. Например, семейство хлоридных каналов и транспортеров ClC (англ. Chloride Channel) включает в себя гомологичные друг другу каналы (ClC-1, 2, Ka и Kb) и Cl/H-обменники (ClC-3–7), которые можно превратить в каналы, внеся мутацию в единственный остаток глутамата (т. н. gating glutamate — воротный глутамат) [14]. Na/K-АТФазу также можно превратить в простую пору, например, с помощью палитоксина [15] . Хлоридный канал CFTR относится к группе ABC-транспортеров, однако он использует энергию АТФ не для транспорта ионов, а для регуляции открытия и закрытия канала [16] . Кроме того, существуют данные о том, что везикулярный транспортер глутамата VGLUT1 кроме обмена глутамата на протоны также опосредует не сопряженный с обменом ток Cl − [17] .

Клеточная мембрана как электрическая цепь

Липидный бислой мембраны можно представить как резистор (сопротивление) и конденсатор (емкость), соединенные параллельно. Величина сопротивления зависит от плотности каналов в мембране и их функционального состояния. Электроемкость возникает из-за разделения зарядов по обе стороны мембраны тонким слоем диэлектрика (гидрофобными хвостами фосфолипидов).

Рисунок 6 | Плазматическая мембрана, представленная в виде RC схемы. g_Na, g_K, g_Cl — проводимость** мембраны для ионов Na + , K + и Cl – , соответственно; E_Na, E_K, E_Cl — электродвижущая сила, или равновесные потенциалы для соответствующих ионов, С_m — электроемкость мембраны.

Можно считать, что проводимость (величина, обратная сопротивлению, измеряемая в сименсах) характеризует проницаемые для ионов компоненты структуры мембраны, а емкость — не проницаемые для ионов структуры. Удельная емкость мембраны составляет приблизительно 1 мкФ/см 2 или 0,01 пФ/мкм 2 *** и мало зависит от типа клеток [2] . Это позволяет оценить размер клетки по ее электрическим характеристикам. Высокая электроемкость клеточных мембран задерживает изменения потенциала в ответ на ток. Эту задержку можно выразить через постоянную времени τ, которая равна произведению емкости и параллельно соединенного с ней сопротивления (RC). Если конденсатор зарядить на некоторую величину, а затем дать ему разрядиться через резистор, то потенциал будет убывать экспоненциально согласно формуле V = V₀e –t/RC , то есть за каждые τ = RC секунд потенциал будет падать в 1/e раз (на 37 % от исходной величины). Этот расчет применим и к клеточной мембране: падение напряжения при разрядке мембраны будет подчиняться экспоненциальному закону. То есть, если приложить гипер- или деполяризующий стимул, то мембранный потенциал через время τ достигнет 63 % конечного сдвига.

Рисунок 7 | Падение напряжения при разрядке мембраны. Изменение мембранного потенциала при деполяризации мембраны на ΔV_m [22] , I_c — емкостный ток, I_i — ионный ток, I_m — суммарный ток через мембрану. Пояснения в тексте.

Потенциал действия

Возбудимые клетки могут быстро изменять потенциал на мембране и этим запускать внутриклеточные процессы, например, мышечное сокращение или экзоцитоз везикул. Кратковременный локальный скачок мембранного потенциала от приблизительно –80 мВ (значения потенциала покоя) до 0…+20 мВ за счет изменения проницаемости мембраны для ионов называется потенциалом действия.

Для начала рассмотрим потенциал действия в аксонах нейрона на примере гигантского аксона кальмара. Выбор столь экзотического объекта обусловлен историческими причинами. Современная микроэлектродная техника — использование тонких стеклянных микропипеток, заполненных раствором электролита, — была предложена лишь в 1949 году Дж. Лингом и Р. Джерардом [18] . До этого поместить электрод, представлявший собой тонкую проволоку, внутрь клетки, не разрушив ее, можно было только в случае ее крупных размеров. Гигантский аксон кальмара стал идеальным модельным объектом для изучения потенциала действия: его диаметр может достигать 0,5–1 мм. Этот отросток служит для быстрой передачи нервных импульсов у беспозвоночных, у которых отсутствует миелинизация. Внутренним содержимым аксона легко манипулировать, заменяя ионный состав внутриклеточного раствора, а внутрь такого аксона можно поместить электрод для регистрации мембранного потенциала.

Так, в 1939 году А. Ходжкин и Э. Хаксли опубликовали в журнале Nature короткую заметку «Потенциалы действия, зарегистрированные внутри нервного волокна» [19] , в которой они описали первый эксперимент по внутриклеточному измерению мембранного потенциала на гигантском аксоне кальмара. Посмотрим на потенциалы действия, которые зарегистрировали исследователи.

Рисунок 8 | Потенциал действия из статьи А. Ходжкина и Э. Хаксли 1939 года [19] . Потенциал действия был зарегистрирован как разность потенциала между внутренней средой аксона и внешней средой. Пики внизу рисунка — это фрагменты синусоидального сигнала с частотой 500 Гц. Вертикальной чертой отмечен потенциал внутреннего электрода в милливольтах, потенциал морской воды снаружи аксона был принят за ноль.

Мы видим резкую деполяризацию мембраны до положительных значений, а затем более плавное возвращение потенциала к отрицательным значениям, зачастую более отрицательным, чем величина потенциала покоя. Из этих наблюдений следовало два важных вывода: 1) потенциал действия генерируется мембраной клетки, что не было очевидно в 1930-е годы; 2) поскольку измеренная амплитуда потенциала действия была больше величины мембранного потенциала, генерация потенциала действия — это активный процесс, который нельзя объяснить временным «пробоем» в мембране (каким бы наивным такое представление нам не казалось сегодня, в 1930-е так думали многие физиологи). В том же году К. С. Коул и Х. Дж. Кертис [20] зарегистрировали кратковременное изменение проводимости мембраны с 1 мСм/см 2 до 40 мСм/см 2 при генерации потенциала действия. Эти данные также свидетельствовали о тонкой регуляции этого процесса.

После Второй мировой войны Ходжкин и Хаксли вернулись к своим исследованиям. В 1945 году они опубликовали статью с несколькими дополнительными экспериментами, подтверждающими сформулированные ранее выводы. Но и тогда ионные механизмы потенциала действия оставались неясными.

В 1952 году вышла серия статей, посвященных разгадке механизма генерации потенциала действия. Ведущую роль в этом открытии сыграл новый метод фиксации потенциала с помощью двух электродов (в англоязычной литературе TEVC — two-electrode voltage clamp), разработанный в конце 1940-х годов К. С. Коулом и Дж. Мармонтом [21] . Этот метод позволяет измерять не только потенциал, но и токи при заданном значении мембранного потенциала. Как же осуществляется фиксация потенциала с помощью двух электродов на заданном уровне (V_cmd — «командный потенциал»)? В клетку помещают два электрода, один из которых измеряет потенциал (относительно внеклеточного электрода сравнения) и передает его значение на специальный усилитель, который сравнивает измеренный потенциал со значением командного потенциала. Это устройство вычисляет ток, необходимый для компенсации этой разницы, и подает через второй внутриклеточный электрод ток такой величины, чтобы потенциал на мембране клетки стал равен V_cmd (V_m = V_cmd). Из амплитуды тока, необходимого для компенсации сдвига потенциала до V_cmd, можно сделать вывод о токе через мембрану при данном значении мембранного потенциала. Ток при данном значении потенциала равен току, подаваемому на второй электрод, взятому с обратным знаком.

Рисунок 9 | Схема фиксации потенциала с помощью двух электродов [21] .

В 1970–80-х годах Эрвин Неер и Берт Сакман (Erwin Neher, Bert Sakmann) предложили метод локальной фиксации потенциала (англ. patch clamp), позволяющий работать с мелкими клетками и токами малой амплитуды и даже регистрировать активность отдельных каналов. Тем не менее, метод фиксации потенциала двумя электродами в микроэлектродной конфигурации используется и сегодня при работе с такими крупными клетками, как ооциты лягушки Xenopus laevis.

Временной ход потенциала действия

Потенциал действия в аксоне можно разделить на 1) фазу быстрой деполяризации до 2) положительных значений (овершута, от англ. overshoot), 3) фазу реполяризации, в которой потенциал возвращается к потенциалу покоя или даже до несколько более отрицательных значений — 4) следовая гиперполяризация.

Рисунок 10 | Потенциал действия и изменения проводимости мембраны для Na + и K + в гигантском аксоне кальмара. Из [22], с изменениями.

Изменяя ионный состав внутри- и внеклеточного раствора, можно изолировать ионные токи, которые опосредуют изменение мембранного потенциала при потенциале действия. Так, помещая аксон в раствор, в котором натрий заменен на холин, можно изолировать натриевый и калиевый компонент потенциала действия, то есть отдельно измерить калиевый ток [20] . Этого же можно достичь применением блокаторов потенциал-зависимых натриевых и калиевых каналов — тетродотоксина и тетраэтиламмония (TEA).

Чтобы понять взаимосвязь ионных токов и вызванных ими изменений потенциала, рассмотрим всю цепь событий при генерации потенциала действия. Сначала мембрана деполяризуется под действием внешнего стимула: поступления в клетку катионов через лиганд-управляемые каналы, закрытия калиевых каналов или электрической стимуляции в эксперименте. Если деполяризация достигает порогового значения для потенциалзависимых натриевых каналов (Na_v), они открываются, натрий по градиенту своей концентрации входит в клетку, и мембрана деполяризуется еще сильнее. Дальнейшая деполяризация влечет за собой лавинообразное открытие все новых натриевых каналов, ток через которые приводит к еще большей деполяризации. Однако эта петля положительной обратной связи не работает бесконечно: открывшись на некоторое время, натриевые каналы инактивируются и не могут открыться вновь, пока мембранный потенциал не вернется к отрицательным значениям.

Механизм инактивации был предложен еще в математической модели Ходжкина и Хаксли [23] на основании кинетических характеристик тока. Они предположили, что в натриевом канале есть три активационные частицы m и одна инактивационная частица h. Когда стала известна аминокислотная последовательность канала, выяснилось, что канал на самом деле имеет четыре гомологичных активационных домена и один инактивационный, однако один из активационных доменов срабатывает значительно медленнее остальных трех, и его влияние на кинетические характеристики тока маскируется происходящей в то же время инактивацией канала (например, [24]).

В то же время деполяризация мембраны приводит к активации потенциал-зависимых калиевых каналов (K_v), которые открываются медленнее, чем натриевые, калий выходит из клетки, и потенциал возвращается к потенциалу покоя и может даже временно стать более отрицательным: пока натриевые каналы инактивированы, потенциал становится ближе к калиевому равновесному потенциалу, и это явление называется следовой гиперполяризацией.

Генерация потенциала действия происходит по принципу «все или ничего». Если деполяризующий стимул не достиг порогового значения, потенциал действия не генерируется. Если же порог был достигнут, положительная обратная связь обеспечивает открытие всех доступных натриевых каналов, и потенциал действия достигает своей максимальной амплитуды.

Если новый стимул приходит во время или сразу после генерации потенциала действия, второй потенциал действия не возникает или обладает меньшей амплитудой, чем первый. Это явление называется рефрактерностью. Стимул, возникший в период абсолютной рефрактерности, не вызывает генерации потенциала действия, а пришедшийся на период относительной рефрактерности вызывает потенциал действия уменьшенной амплитуды, так как часть натриевых каналов все еще инактивирована.

Рисунок 11 | Абсолютная и относительная рефрактерность. Стимуляция в период абсолютной рефрактерности (2) не ведет к генерации потенциала действия, а стимуляция в период относительной рефрактерности (3 и 4) приводит к генерации потенциала действия сниженной амплитуды.

Стоит отметить, что внутриклеточная концентрация физиологически значимых ионов при генерации потенциала действия не меняется, и ионные токи задействуют пренебрежимо малую долю от общего числа Na + и K + . Это можно проиллюстрировать следующим примером. Рассчитаем число ионов, которое должно пересечь мембрану для деполяризации на 100 мВ. Заряд на мембране равен произведению емкости мембраны и потенциала: Q = C_mV_m. Удельная емкость мембраны близка к 1 мкФ/см 2 , а сдвиг потенциала в нашем случае равен 0,1 В. Тогда количество разделенных зарядов равно Q = 10−6 Ф/см 2 × 0,1 В = 10−7 Кл/см 2 . Величина заряда одного иона Na + или K + (элементарного заряда) равна 1,6 × 10−19 Кл, тогда количество переносимых через мембрану ионов равно 10−7 Кл/см 2 / 1,6 × 10−19 Кл = 6,25 × 1011 ионов/см 2 , или 6250 ионов/мкм 2 . Для клетки диаметром 10 мкм площадь поверхности мембраны будет приблизительно равна 4πr 2 = 314 мкм 2 (в этом расчете для простоты мы считаем клетку гладкой сферой), а объем — 4πr 3 /3 = 524 мкм 3 . При внутриклеточной концентрации Na + 10 мМ, а K + 150 мМ содержание этих ионов в цитозоле будет равно 3,2 × 109 и 4,7 × 1010 соответственно. В течение одного потенциала действия приблизительно 314 мкм 2 × 6,250 ионов/мкм 2 ≈ 2 000 000 ионов Na + входит в клетку в фазе деполяризации и примерно столько же ионов K + выходит из клетки в фазе реполяризации, что составляет всего 0,06 % от общего числа ионов натрия в клетке. Токи такой величины обычно не изменяют макроскопические концентрации ионов в клетке, поскольку работа Na/K-АТФазы компенсирует эти незначительные изменения. Однако при определенных условиях концентрации Na + и K + все же могут измениться, например, при продолжительной стимуляции аксонов с малым диаметром [25] .

Распространение возбуждения по аксону

Электрические свойства мембраны помогают понять изменения мембранного потенциала не только во времени, но и в пространстве. Пассивное, или электротоническое распространение возбуждения по мембране происходит без изменения проводимости потенциал-зависимых каналов. Для распространения потенциала действия важен как активный (изменение проводимости натриевых и калиевых каналов), так и пассивный механизмы, поскольку деполяризация, вызывающая открытие новых потенциал-зависимых натриевых каналов, должна достигнуть нового невозбужденного участка аксона, и происходит это благодаря электротоническому распространению возбуждения.

Рисунок 12 | Электротоническое распространение возбуждения. Пояснения в тексте [22].

Сдвиг потенциала в точке, отстоящий на x от места стимуляции, можно вычислить как E_x = E₀e –x/λ , где E₀ — это сдвиг потенциала в точке стимуляции, а λ — постоянная длины.

Постоянная длины возрастает с увеличением сопротивления мембраны (r_m) и уменьшается с возрастанием сопротивления аксоплазмы (r_i), которое в свою очередь зависит от концентрации подвижных зарядов в объеме аксона. Знание этих закономерностей позволяет понять зависимость скорости распространения возбуждения от радиуса (R) аксона. Сопротивление мембраны r_m пропорционально 1/2πR, сопротивление аксоплазмы r_i — 1/πR 2 , а емкость мембраны C_m пропорциональна R. По мере увеличения радиуса аксона и r_m, и r_i уменьшаются, но r_i уменьшается сильнее. Постоянная длины увеличивается, следовательно, сдвиг потенциала может распространяться по более крупному аксону дальше. Кроме того, увеличение радиуса аксона ведет к увеличению емкости мембраны, однако этот эффект нивелируется тем, что емкость с увеличением радиуса растет линейно, а уменьшение r_i пропорционально квадрату радиуса. Таким образом, проводимость аксоплазмы увеличивается быстрее (при снижении r_i), чем растет емкость мембраны, и это позволяет току быстрее достигать невозбужденных участков мембраны более крупного аксона.

Зависимость скорости распространения потенциала действия по аксону от его диаметра объясняет необходимость в гигантских аксонах у кальмара. Однако у позвоночных гигантских аксонов нет, и достаточная скорость проведения нервных импульсов достигается с помощью миелинизации аксонов. Миелиновые оболочки образованы специальными глиальными клетками: олигодендроцитами в центральной нервной системе и клетками Шванна в периферической. Эти клетки оборачивают аксон, образуя вокруг него плотный чехол из десятков слоев плазматической мембраны, который работает как изолятор. Под миелиновой оболочкой очень мало или почти нет натриевых каналов. Они оказываются расположены на небольших участках мембраны аксона между двумя соседними шванновскими клетками или олигодендроцитами — в перехватах Ранвье. Миелиновая оболочка увеличивает скорость проведения потенциала действия благодаря повышению сопротивления мембраны r_m. При этом снижаются потери тока через мембрану, и деполяризация может пассивно распространяться на бо́льшие расстояния. Кроме того, из-за снижения емкости мембраны C_m, меньшая доля тока тратится на перезарядку мембраны. Миелинизация делает передачу потенциала действия не только быстрее, но и эффективнее, поскольку натриевые каналы располагаются только в перехватах Ранвье, благодаря чему меньшее количество ионов натрия входит в клетку и меньше энергии требуется на работу Na/K АТФ-азы для поддержания концентрационного градиента.

Потенциалы действия в других возбудимых клетках

Минималистичный натриево-калиевый потенциал действия характерен только для аксонов нейронов. В других частях нейрона и в иных типах возбудимых клеток в генерации потенциала действия принимают участие разнообразные ионные каналы, в том числе калиевые каналы других семейств и кальциевые каналы плазматической мембраны и эндоплазматического ретикулума (ЭПР является внутриклеточным депо кальция; общая концентрация Ca 2+ в нем достигает миллимолярных значений, а концентрация свободного кальция находится в микромолярном диапазоне [26] ; эти значения на несколько порядков выше, чем 100 нМ свободного Ca 2+ в цитозоле в состоянии покоя). Различия в экспрессии генов ионных каналов в различных типах возбудимых клеток порождают разнообразие потенциалов действия, различающихся ионными механизмами, длительностью (от 1,5 мс в аксонах до 500 мс в кардиомиоцитах желудочков), необходимостью внешнего стимула для генерации или наличием собственного ритма. Многие ионные каналы, не участвуя напрямую в генерации потенциала действия, влияют на возбудимость клеток и таким образом вносят вклад в разнообразие электрической активности клеток.

* Принятое в физиологической литературе употребление фраз «по» или «против градиента концентрации» расходится с физическим понятием градиента. В математике и физике градиент направлен в сторону наибольшей скорости возрастания функции или величины; так, если вещество движется в направлении этого вектора, то физиологи говорят о движении «против градиента концентрации», а если в противоположном направлении — то «по градиенту концентрации». Такое словоупотребление прочно закрепилось в литературе, но пусть оно не сбивает вас с толку, когда вы размышляете, откуда взялся минус перед градиентом концентрации в уравнении диффузионного потока (уравнении Фика): J = — D dC/dx, где J — диффузионный поток [моль∙см -2 ∙с -1 ], D — коэффициент диффузии [см 2 ∙с -1 ], а dC/dx— градиент концентрации.

** Проводимость (g = 1/R) — это характеристика скорости движения любых зарядов через мембрану, а проницаемость (P) отражает, насколько легко частицы могут двигаться через мембрану независимо от того, движутся они или нет. Для ионов эти величины связаны. Например, в фазе быстрой деполяризации при потенциале действия возрастает как проводимость, так и проницаемость мембраны для ионов натрия. Однако зачастую, если проницаемость канала для какого-то иона высока из-за высокого сродства участков поры канала для этого иона, такие ионы будут двигаться через канал медленнее, и проводимость будет ниже, чем для других ионов, для которых канал менее проницаем.

*** Удельная емкость чистого липидного бислоя составляет около 0,8 мкФ/см 2 , разница между электроемкостью мембраны и липидного бислоя возникает из-за обилия встроенных в мембрану белков.