Файл: Мембранология и электрогенез.pdf

Анализ ионной природы потенциала действия, проведенный первоначально
А.Ходжкиным
,
Э.Хаксли
и
Б.Катцем
, позволил установить, что фронт нарастания потенциала действия и перезарядка мембраны (овершут) обусловлены движением ионов Na
+
внутрь клетки. Как оказалось, натриевые каналы являются электроуправ- ляемыми. Деполяризующий толчок тока приводит к
активации
натриевых каналов и увеличению натриевого тока. Вначале это обеспечивает локальный ответ.
Когда же сдвиг мембранного потенциала достигает критического уровня – это приводит к стремительной деполяризации клеточной мембраны и обеспечивает фронт нарастания потенциала действия. Если удалить ион Na
+ из внешней среды, то потенциал действия
не возникает.
Аналогичный эффект удавалось получить при добавлении в перфузионный раствор ТТХ (тетродотоксина) – специфического блокатора натриевых каналов.
1
48

В последействии потенциала действия может возникнуть гиперполяризация или/и деполяризация мембраны. Это так называемые
следовые
потенциалы. В обычных условиях задержанный выходящий калиевый ток существует некото- рое время после генерации потенциала действия и это обеспечивает гипер- поляризацию клеточной мембраны, то есть
положительный следовой потенци-
ал
или
следовая гиперполяризация
. Она имеет двоякую природу: ионную и метаболическую. Первая связана с тем, что калиевая проницаемость в мембране клетки остается некоторое время (десятки и даже сотни мс)
повышенной
после генерации потенциала действия: она смещает мембранный потенциал в сторону калиевого равновесного потенциала. Второй вид следовой гиперполяризации связан преимущественно с активацией электрогенного натриевого насоса, всле- дствие накопления ионов Na
+ в клетке.
Причиной
деполяризации
, развивающейся после генерации потенциала дейс- твия, является накопление ионов К
+
на наружной поверхности мембраны, что ве- дет к увеличению потенциала покоя.
Потенциалы действия у различных структур неодинаковы: их продолжительность у мотонейронов спин- ного мозга равна 1.0-3.0 мс, у миелинизированных нервных волокон – 0.4-1.5 мс, у поперечнополосатых мышечных волокон скелетной мускулатуры 3.0-8.0 мс. Есть и более продолжительные потенциалы дейст- вия (до 300 мс), которые регистрируются, например, в волокнах миокарда.
Параметры потенциалов действия имеют очень важное физиологическое зна- чение, ибо с их помощью можно определить функциональное состояние возбу- димых структур.
1
49

Ионные токи мембраны
При использовании метода
фиксированного напряжения (
«
voltage-
clamp
») было показано, что в ответ на действие деполяризующего тока через мембрану протекает кратковременный (1-2 мс) входящий ток, кото- рый сменяется через некоторое время выходящим током. При замене ионов
Na
+
на другие ионы и вещества, например, холин, который не проходит че- рез мембрану, удалось показать, что входящий ток обеспечивается натри- евым током, то есть в ответ на деполяризующий стимул происходит повы- шение натриевой проводимости (gNa
+
).
Когда после достижения пика потенциала действия происходит реполяризация мембраны, мембранный потенциал возвращается к контрольному значению потен- циала покоя. Рассмотрим эти процессы подробнее. Развитие потенциала действия и перезарядка мембраны приводят к тому, что внутриклеточный потенциал становит- ся еще более положительным, чем равновесный калиевый потенциал, и, следовате- льно, электрические силы, перемещающие ионы К
+
через мембрану, увеличиваются.
Максимума эти силы достигают во время пика потенциала действия. Кроме тока, обусловленного пассивным передвижением ионов К
+
, был обнаружен задержанный выходящий ток, который также переносился ионами К
+
, что было показано в опытах с применением изотопа К
+
. Этот ток достигает максимума спустя несколько мс от начала генерации потенциала действия.
1
50

Воротные механизмы
Для ионного канала применимы два сходных понятия – проводимость и проницае- мость.
Проводимость
(g)– это величина, обратная электрическому сопротивлению и равная отношению величины общего трансмембранного тока для данного иона к величине, обусловившей его трансмембранной разности потенциалов. .А степень
проницаемости
(Р) – это способности клеточной мембраны пропускать эти ионы, которая зависит от разности концентраций диффундирующего вещества по обе сто- роны мембраны, его растворимости в липидах и свойств клеточной мембраны. Ско- рость диффузии для заряженных ионов в условиях постоянного поля в мембране определяется подвижностью ионов, толщиной мембраны, распределением ионов в мембране. Таким образом,
проводимость мембраны является мерой ее ионной
проницаемости
. Увеличение проводимости свидетельствует об увеличении коли- чества ионов, проходящих через мембрану.
Особый смысл оба понятия имеют при переходе мембраны клетки от потенциа- ла покоя к потенциалу действия. Если в состоянии покоя соотношение констант проницаемости мембраны (Р) для К
+
, Na
+
и Cl
- равно 1 :0.04:0.45, то при потенци- але действия, когда увеличивается проницаемость мембраны для ионов Na
+
это соотношение становится равным: Рк : P
Na
: Р
Cl
– 1 :20.0:0,45.
Таким образом, в состоянии возбуждения мембрана клетки не просто утрачивает свою избирательную ионную проницаемость. Все происходит несколько сложнее.
1
51

В частности, из избирательно проницаемой в покое для ионов К
+
мембрана становится избирательно проницаемой для ионов Na
+
. Увеличение натриевой проницаемости мембраны связано с открыванием потенциалзависимых натриевых каналов.
Механизм и место, где происходит открывание и закрывание ионных каналов, получил название
ворот
канала. Принято различать активационные (m) и инакти- вационные (h) ворота. Ионный канал может находиться в трех основных состояниях: за- крытом (m-ворота закрыты; h-открыты), от- крытом (m- и h-ворота открыты) и инакти- вированном (m-ворота открыты, h-ворота закрыты).
Работа ворот потенциалзависимых натриевых каналов мембраны. А – зависимость процента открытых h- и m- ворот от мембранного потенциала; Б – положение m- и h- ворот при потенциале покоя (I), развитии пика потенциа- ла действия (II) и в с остоянии рефрактерности (III): m – активационные ворота, h – инактивационные ворота, φ – потенциал, при котором открыты m-ворота у 50 % кана- лов.
Ворота
натриевых ионных каналов различаются
инерционными свойствами.
1
52

В связи с этим, различают два вижа ворот – быстрые и медленные. Более под- вижными (быстрыми) являются m-ворота, и более инерционными (медленными) – h-ворота. Кстати, использованные буквы m и h, обозначают эмпирические кон- станты в дифференциальных уравнениях
А.Ходжкина
и
Э.Хаксли
, описывающих ионные токи через мембрану:
α ∂
2
V ∂V
---- ------ = C ----- + (V - E
K
) g
K
n
4
+ (V –E
Na
) g
Na
m
3
h +(V – E
0
) g
0
; (1.7)
2R ∂x
2
∂t где n, m и h – функции потенциала и времени, определяющие поведение натриевого и ка- лиевого токов, α – радиус волокна, R – удельное сопротивление протоплазмы, С – удельная ем- кость мембраны, E
Na
, E
K
, E
0
, g
K
, g
Na
,g
0
– постоянные параметры, и, наконец, заданные функции потенциала (
А.Hodgkin & Е.Huxley
, 1952).
Возникновение потенциала действия и работу ворот можно представить себе как цикл в деятельности возбужденной клетки в виде следующих последователь- ных процессов. При потенциале покоя m-ворота закрыты, h-ворота открыты, и движение Na
+
по каналу невозможно. Критический уровень деполяризации оп- ределяет границу максимальной активации натриевых каналов. Если смещение мембранного потенциала достигает значения критического уровня деполяризации, то процесс поступления ионов Na
+ в клетку вначале идет медленно, а затем ла- винообразно нарастает.
1
53

Это связано с тем, что при деполяризации мембраны ворота обоих типов приходят в движение, но в силу неодинаковой инер- ции m-ворота успе- вают открыться рань- ше, чем закроются
h-ворота.
В этот миг натрие- вый канал открыт по- лностью и ион Na
+ успевает на протяже- нии нескольких мс войти в клетку. Рабо- та натриевых каналов таким образом, опре- деляется величиной мембранного потен- циала. Затем система начинает работать по принципу положите- льной обратной свя- зи, то есть возникает регенеративная (самоусиливающаяся) деполяризация.
1
54

Процесс достигает максимума спустя 5-8 мс от начала генерации потенциала действия.
Рассчитано, что работа одного ионного канала способна изменять ионные то- ки от 2 до 10 рА, что соответствует транспорту 12-600 моновалентных катионов в с. Такая величина обменного процесса ионов в клетке превосходит во много раз известные до сих пор ферментные или транспортные механизмы и хорошо согласуется с теоретическими расчетами, сделанными для модели ионной поры.
В то же время,
активированный натриевый канал
открыт в тнчение 1-2 мс и за 1 мс пропускает до 6 000 ионов. При этом весьма существенный общий нат- риевый ток, который проходит через мембрану во время возбуждения, представ- ляет собой сумму тысяч одиночных токов.
Описанное состояние возбужденной клетки и есть
фаза деполяризации
. По- сле нее сразу же начинает развиваться фаза
реполяризация
. Следует отметить, что введение тетраэтиламмония (ТЭА) – блокатора калиевых каналов – замед- ляет процесс реполяризации.
Связь фазы реполяризации с работой ионных ворот проявляется в том, что эта фаза начинается сразу же после закрытия натриевых инактивационных h-ворот, то есть после прекращения потока натрия, и обусловлена активностью калиевых каналов.
Кстати, для иона К
+
инактивационных каналов, в отличие от натриевых,
не
существует (!)
. Для этого иона активационные каналы обозначаются литерой n.
1
55

Сущность ионной проводимости
О ионной проводимости мембраны можно судить по величине и изменению ионных токов, например, по
вольт-амперной характеристике
мембраны клетки при изменении величины трансмембранной разности протенциалов
Для того, чтобы опреде- лить допустимые пределы изменения кинетических характеристик ионов K
+
и
Na
+
, была проведена иден- тификация параметров тока через мембрану по вольт- амперной кривой
(зависи- мости тока через мембрану от величины мембранного потенциала).
Это вольт-амперные характе-
ристики
мембраны клетки и
ион-
ные токи
для K
+
(I
K
+
) и Na
+
(I
Na
+
) и суммарный ток мембраны при из- менении величины мембранного по- тенциала в диапазоне от –100 до
+100 мВ.
Различие кривых величин K
+ и
Na
+ тока особенно видно при переходе через нулевое значение величины напряжения.
1
56

Деполяризация мембраны клетки вызывает кратковременное изменение
тока
и
проводимости
мембраны
для иона
натрия
(INa
+
и gNa
+
). В то же время эти же показатели для иона
калия
(IK
+
и gK
+
) более длительны и стабильны.
Установлено, что развитие фазы деполяризации потенциала действия обуслов- лено повышением натриевой проводимости. Критический уровень деполяризации определяет границу максимальной
актива-
ции
натриевых каналов.
Если смещение мембранного потенциала достигает значения критического уровня де- поляризации, то процесс поступления ионов
Na
+
в клетку лавинообразно возрастает. Си- стема начинает работать по принципу поло- жительной обратной связи, то есть возника- ет регенеративная (усиливиливающаяся) де- поляризация
Действие деполяризующего стимула (А), ионные токи (Б) и изменение проводимости клеточной мембраны (В) для ионов Na
+
(gNa
+
, INa
+
) и K
+
(gK
+
,IK
+
) во время действия де- поляризующего стимула. На IK
+
- Na
+ заменен холином.
На пике потенциала действия проводимость мембраны для ионов натрия (gNa
+
) начинает быстро снижаться. Этот процесс называется
инактивацией
1
57

ного потенциала до –50 мВ (например, при дефиците кислорода, действии некоторых лекарственных веществ) система натриевых каналов полностью
инактивируется
и клетка становится невозбудимой.
Различие в
калиевой
и
натриевой
проводимости свидетельствует о разной
природе
натриевых и калиевых каналов.
При постепенном уменьшении мембран-
. Скорость и степень натриевой инактивации зависят от величины мембранного потенциала, что особенно заметно при сильной деполяризации мембраны. Таким образом, процессы инактивации, а равно и активации мембраны
потенциалзависимы.
З
ависимость калиевой (а) и натриевой (б) проводимос- тей клеточной мембраны от величины ее деполяриза- ции. По оси абсцисс – время в мс, по оси ординат – проводимость мембраны в мС/см2. Цифры около кри- вых показывают сдвиг мембранного потенциала от по- тенциала покоя по направлению к нулю или далее в сторону
положительных
значений потенциала. Круж- ки показывают значения, полученные в эксперименте, а кривые – результат решения уравнения Ходжкина -
Хаксли.
1
58

Изучение проводимости мембраны для разных ионов во время развития потен- циала действия показало, что изменения проводимости пропорциональны измене- ниям проницаемости для натрия (gNa+) и калия (gК+).
При замене ионов Na
+
на другие ионы и вещества, например холин, удалось по- казать, что входящий ток обеспечивается натриевым током, то есть в ответ на депо- ляризующий стимул происходит повыше- ние натриевой проводимости (gNa
+
).
Была также установлена зависимость, согласно которой любое изменение натриевой проводимости мембраны (gNa
+
), например, повышение, приводит к изменению способности натриевых каналов к
активации,
в данном случае
–
к снижению ее. Причем изменения натриевой проводимости (gNa
+
) меняется быстрее, чем способность натриевых каналов к активации
Потенциал действия (А) и изменение проводи- мости клеточной мембраны (Б) для Na
+
(gNa
+
) и К
+
(gK+) во время генерации потенциала действия; Екр
– критический уровень деполяризации, Еm – мемб- ранный потенциал; h – показатель способности нат- риевых каналов к
активации
1
59