Файл: Мембранология и электрогенез.pdf

Мембранология и электрогенез
Академик НАМН Украины,
доктор медицинских наук, профессор
В.Н.Казаков
Донецкий национальный
медицинский университет
им.М.Горького
Мембранология и электрогенез

Основным свойством живых клеток является
раздражимость,
то есть способность реагировать изменением обмена веществ в ответ на действие раздражителей. Вторым свойством этих тканей является
возбудимость
– свойство клеток отвечать на раздражение возбужде- нием. К возбудимым тканям относят нервные, мышечные и некоторые секреторные клетки.
Возбуждение
– это ответ ткани на ее раздражение, проявляющийся в специфической для нее функции, например, прове- дение возбуждения нервной тканью, сокращение мышцы, секреция же- лезы и в неспецифических реакциях, например, генерация клеткой по- тенциала действия либо метаболические в ней изменения.
Одним из важных свойств живых клеток является электрическая
возбудимость.
Высокая чувствительность возбудимых тканей к дейс- твию слабого электрического тока впервые была продемонстрирована профессором анатомии Болонского университета
Луиджи Гальвани
в опытах на нервно-мышечном препарате лягушки.
Л.Гальвани провел два известных опыта.
Первый
из них состоял в том, что исследователь прикладывал к нервно-мышечному препарату лягушки две соединенные между собой пластинки из разных металлов
– меди и цинка, таким образом, чтобы одна пластинка касалась мыш- цы, а другая – нерва, и мышца при этом сокращалась.
1

Детальный анализ результатов первого опыта Л.Гальвани провел
Алессандро Вольта
, который позволил ему сделать заключение, что эле- ктрический ток возникает не в живых клетках, а в месте контакта разно- родных металлов с электролитом, поскольку тканевые жидкости пред- ставляют собой раствор солей. В результате своих исследований
А.Вольта создал устройство, получившее название «вольтов столб» – набор последовательно чередующихся цинковых и серебряных пласти- нок, разделенных бумагой, смоченной солевым раствором, которые про- изводил электричество и был прообразом электрической батареи.
Однако Л.Гальвани в доказательство справедливости своей точки зре- ния предложил
второй
опыт. Он набрасывал на мышцу дистальный отрезок нерва, который иннервирует эту мышцу, при этом мышца также сокращалась (опыт без металлов). Отсутствие металлических провод- ников при проведении опыта позволило Гальвани подтвердить свою точ- ку зрения и развить представления о «животном электричестве», то есть электрических явлениях, возникающих в живых клетках. Окончательное доказательство существования электрических явлений в живых тканях было получено в опыте «вторичного тетануса», проведенного Карло
Маттеуччи.
2

В этом опыте один нервно-мышечный препарат возбуждался током, а би- отоки сокращающейся мышцы раздражали нерв второго нервно-мышеч- ного препарата
Мышца первого препарата сокращалась также.
В конце XIX века благодаря работам Л.Германа, Э.Дюбуа-Раймона,
Ю.Бернштейна стало очевидным, что электрические явления, которые воз- никают в возбудимых тканях, обусловлены электрическими свойствами клеточных мембран. Затем уже в XX веке работами А.Ходжкина, Э.Хаксли,
Д.К.Экклза, Б.Катца, Д.С.Воронцова, Э.Негера и Б.Сакмана, П.Г.Костюка сущность мембранных механизмов электрогенеза была доведены до глубо- кого и всестороннего понимания. Это дало возможность с иных позиций рассматривать процессы проистекающиие в отдельных элементах живого организма.
Под влиянием этих работ возникло большое и перспективное напра-
вление молекулярной биологии, которое мы называем
мембранологией
.
Эта дисциплина позволила
осознать
интимнейшие
процессы нервной,
седречно-сосудистой, пишеварительной, выделительной и всех других
систем организма, осознанно применять различные химические
вещества в качестве лекарств и синтезировать их.
3

Клеточные
мембраны
Микроструктурная организация клеточных мембран позволяет им
выполнять важнейшие функции.
Первая
– это барьерная функция, которая выражается в том, что мембрана при помощи соответствующих механизмов участвует в создании концентрационных градиентов, препятствуя свободной диффузии. При этом мембрана принимает участие в механизмах электрогенеза
.
К ним относятся механизмы создания потенциала покоя, генерация потенциала действия, механизмы распространения биоэлектрических импульсов по однородным и неоднородным возбудимым структурам.
Вторая
– регуляторная функция, которая состоит в тонкой регуляции внутриклеточного содержимого и внутриклеточных реакций за счет рецепции внеклеточных биологически активных веществ, что приводит к изменению активности ферментных систем мембраны.
Третья
– контактная функция клеточной мембраны, которая заключается в организации зон специфического или неспецифического контакта между клетками с образованием тканевой структуры. При этом в области контакта возможен обмен ионами, медиаторами, макромолекулами между клетками, или передача электрических сигналов.
Четвертая
– это преобразование внешних стимулов неэлектрической природы в электрические сигналы (в рецепторах).
Пятая
– это высвобождение нейромедиаторов в синаптических окончаниях.
4

Трехмерное изображение клеточной мембраны. Маленькие голубые и белые шарики соответствуют
гидрофильным
«головкам» липидов, а присоединённые к ним линии
– гидрофобным
«хвостам».
На рисунке показаны только интегральные мембранные белки (красные глобулы и желтые спирали). Желтые овальные точки внутри мембраны – молекулы
холестерола
. Желто-зеленые цепочки бусинок на наружной стороне мембраны – цепочки олигосахаридов, формирующие
гликокаликс
5

ЧАСТЬ ПЕРВАЯ

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Потенциал покоя
В 1949 году два английских ученых-биофизика –
Алан Ходжкин
и
Эндрю
Хаксли
, в Плимутской биологической лаборатории, провели исследования, результаты которых
вошли во все учебники мира.
Ученые использовавшими особенности строения гигантского аксона кальмара (большой диаметр, приблизительно около 1 мм). Они вводили в аксон кальмара, помещенный в морскую воду, активный проволочный электрод, второй индифферентный электрод находился в морской воде.
В момент введения электрода внутрь аксона регистрировали скачок
отрицательного потенциала, то есть внутренняя среда аксона была заря-
жена
отрицательно
относительно внешней среды.
Так было доказано, что между внутренней и наружной сторонами
мембраны существует
разность потенциалов
.
Еще один фактор определяет наличие разности потенциалов между внутренней и наружной сторонами клетки.
Им является проницаемость
мембраны для
потенциал-образующих ионов
.
Проницаемость определяется наличием в мембране ионных каналов, избирательно пропускающих ионы, находящиеся в клетке и в наружной среде.
6

Схема образования
мембранного потенциала
в связи с существованием
полупроницаемой мембраны
7

Трансмембранная разность потенциалов
Электрический потенциал содержимого живых клеток принято измерять относительно потенциала внешней среды, который обычно принимают равным нулю. Поэтому считают синонимами такие понятия, как
трансмембранная разность потенциалов в покое, потенциал покоя,
мембранный потенциал.
Хотя очевидным является, что понятие
мембранный потенциал
– более широкое, чем означенные. Обычно вели- чина потенциала покоя колеблется от –70 до –95 мВ. Согласно концепции лауреатов Нобелевской премии 1953 года А.Ходжкина, Э.Хаксли,
величи-
на потенциала покоя
зависит от ряда факторов, в частности от избирате- льной
(селективной
) проницаемости клеточной мембраны для различных ионов; различной концентрации ионов цитоплазмы клетки и ионов окру- жающей среды (
ионной асимметрии
); работы механизмов активного тра- нспорта ионов. Все эти факторы тесно связаны между собой, и их разделе- ние имеет определенную условность.
Оказывается, что всему этому способствует наличие в мембране возбудимой клетки постоянно работающих специальных насосов, которые меняют «собственный» натрий клетки на наружный «чужой» калий. Из-за этого в клетке оказывается, в конце концов, недостаток натрия.
8

И в то же время клетка переполняется ионами калия, который в нее нагнали эти насосы, создав
градиент
(перепад) концентраций. В связи с этим, можно образно сказать так: «
Клетка имеет тропизм к калию!
» Поэтому она и засасывает его в себя, несмотря на то, что его и так у нее полно:
– поэтому она невыгодно обменивает его на натрий, отдавая, как оказывается,
3 иона Na
+
за
2 иона К
+
;
Активность Na+/K+- АТФазы как наиболее фундаменталь- ный механизм поддержания градиента концентрации раз- ных ионов на клеточной мем- ране
– поэтому она тратит на этот обмен энергию АТФ. И как тратит! До 70% всех
энергозатрат
нейрона может уходить на работу
натрий-калиевых
насосов.
Образно говоря, можно сказать так:
создавая потенциал покоя, клетка
«заряжается неподдельныи интересом».
9

Мы говорим об
интересе
к двум вещам:
во-первых
, интерес клетки к
калию
; и,
во-вторых
, интерес
калия
к свободе. Как ни странно, но результат этих двух видов интереса ничто иное, как
пустота
! Именно она, пустота, создает в клетке отрицательный электрический заряд, то есть – потенциал покоя. Точнее, отрицательный потенциал создает
пустые (свободные) места, оставшиеся от ушедшего из клетки калия. Итак, результат дея- тельности мембранных ионных насосов-обменников таков: дефицит
нат-
ри
я
в клетке и избыток
калия
там же в клетке.
А.
Ходжкин и Э.Хаксли сформулировали принцип «независимости» кана- лов, согласно которому потоки натрия и калия через мембрану независимы друг от друга. То есть в транспортных процессах ионы Na
+
и К
+
как бы «не
замечают» друг друга, они реагируют только «на самих себя». То есть нат- рий реагирует на концентрацию натрия, но «не обращает внимания» на то, сколько вокруг калия. И наоборот, калий реагирует только на концентрацию калия и «не замечает» натрий. Получается, что для понимания поведения ионов в клетке надо по-отдельности сравнивать концентрации ионов Na
+
и
К
+
. То есть надо отдельно сравнить концентрацию ионов Na
+
или К
+
внутри и снаружи клетки, и не имеет смысла сравнивать натрий с калием, как это часто пытаются делать.
10

Потенциал действия
При поляризации мембраны клетки возникают
три вида
потен-
циалов: пассивный
электротонический потенциал
, локальный от- вет и собственно
потенциал действия
Электротонический потенциал
.
Если наносятся раздражения, вели- чина которых не превышает половины величины порогового раздражения, то деполяризация мембраны наблюдается только во время действия разд- ражителя. Это пассивная электротоническая деполяризация или электро- тонический потенциал.
Развитие и исчезновение электротонического потенциала происходит по экспоненциальной кривой и определяется параметрами раздражающего то- ка, а также постоянной времени мембраны, то есть произведением сопро- тивления мембраны (Rm) на ее емкость (Сm) и описывается следующей формулой:
τm = RmСm (1.1) где τm – постоянная времени мембраны или время, за которое пассивный элект- ротонический потенциал достигнет 63 % максимальной амплитуды, Rm – сопроти- вление, а Сm – емкость мембраны,
11

Поскольку практически у всех возбудимых кле- ток ее длина превышает диаметр, электротоничес- кие потенциалы распределяются неравномерно. В точке локализации стимулирующего электрода сдвиг потенциала происходит очень быстро и вре- менные параметры определяются величиной емко- сти мембраны. В удаленных участках мембраны ток проходит не только через мембрану, но и преодоле- вает продольное сопротивление внутренней среды.
Электротонический потенциал падает экспоненци- ально с увеличением длины, а расстояние, на кото- ром напряжение теряет 63 % первоначальной вели- чины (1–1/е) называют константой длины (λ).
с т и м у л
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 мм
0 10 20 30 40 мс
Распространение электротонического потенциала вдоль аксона омара, регистрируемое с помощью поверхностного электрода.
Нарастание и спад потенциала проис-ходит по
экспоненциальной
кривой. Фаза роста напряжения описывается уравнением:
V=iR (1 – e
-t/r
) (1.2) где t – время от начала импульса. Постоянная времениτm, как опи- сывалось, равна произведению RmCm. Это время, за которое по- тенциал возрастает до 63 % (1 - 1/e) своего максимального значе- ния. Спад напряжения тоже
экспоненциален,
с той же постоянной времени.
12

Во время развития электротонического потенциала ионная проницаемость мем- браны практически не меняется
Локальный ответ.
При увеличении амплитуды подпороговых раздражении от 0.5 до 0.9 порога можно наблюдать, что развитие деполяризации происходит не прямолинейно, а по S-образной кривой. Деполяризация продолжает нарастать после прекращения раздражения, а затем сравнительно медленно исчезает. Этот процесс деполяризации получил название
локального ответа,
который имеет следующие основные свойства:
первое
– он возникает при действии подпороговых раздражителей;
второе
– он находится в градуальной зависимости от силы стимула, то есть не подчиняется закону «все или ничего»; третье – он локализуется в пункте действия раздражителя и практически не способен к распространению, так как характеризуется большой степенью затухания;
четвертое – при нанесении нескольких подпороговых раздражений, следующих с интервалом меньше продолжительности отдельных локальных ответов они сум- мируются, и деполяризация мембраны возрастает. В период развития локального ответа изменяется ионная проницаемость мембраны, увеличивается поток ионов
Na
+
из межклеточной среды в цитоплазму и возбудимость структуры повышается.
1
13