Файл: Мембранология и электрогенез.pdf

Поскольку в результате каждого транспортного цикла происходит изменение суммарного трансмембранного заряда на единицу, то этот процесс является
элект-
рогенным
, то есть производя- щим электричество.
Д. Общебиологическое значе-
ние мембранного потециала.
Роль мембранного потенциала в общебиологических процессах очевидна. Благодаря трансмемб- бранной разности потенциалов на определенном уровне находи- тся
возбудимость
клеточной ме- мбраны и
адекватная
деятельность всех систем организма. В нормально функци- онирующей клетке срединная часть липидного слоя представляет собой сплош- ную пленку, образованную углеводородными хвостами фосфолипидных молекул.
Эта пленка практически
непроницаема
для ионов и молекул водорастворимых ве- ществ, таких, как углеводы, аминокислоты, белки, нуклеотиды и нуклеиновые ки- слоты. Повреждение этого сплошного
барьера
приводит к нарушению регуляции внутриклеточных процессов и тяжелым расстройствам клеточных функций.
При любом патологическом процессе (травма, воспаление, изменение физико- химических показателей при хронологическом старении и прочем), меняется элек- трический потенциал клетки.
АТФаза
Работа АТФазы
1
93

При этом наблюдается хаотичное изменение электрических зарядов на ее мембране, нарушение соотношения фаз работы клеточной мембраны при тран- спорте ионов и, как следствие, – изменение уровня мембранного потенциала.
Результатом этих процессов становится замедление и дискоординация работы
Na
+
/К
+
и Ca
2+ каналов.
При интенсивном повреждающем физическом, химическом или биологиче- ском воздействии происходит дисфункция мембраны, что приводит к утрате ею мембранного потенциала, в результате чего в ней резко возрастает количество ионов Ca
2+
, которые движутся в клетку по градиенту конце- нтрации, так как в клетке в норме концентрация этих ионов во много раз меньше, чем в межклеточной среде. Это приво- дит к активации лизосомальных ферментов и ингибирова- нию ферментов дыхательной цепи митохондрий.
В клинической практике можно наблюдать как изменения уровня мембранного потенциала могут являться основной причиной аритмий и нарушений проводимости в миокарде.
Можно видеть также, как подобные изменения возникают при тех или иных патологических состояниях. Например, инфаркт миокарда приводит к изменениям внутриклеточной и/или внеклеточной концентрации ионов К
+
, что в свою очередь вызывает изменение мембранного потенциала. В других случаях характеристики клеточной мембраны могут изменяться таким образом, что относительная проницаемость мембраны для ионов Na
+
или Са
2+
возрастает.
1
94

В результате этого потенциал покоя также изменится, что сразу же отразится на деятельности сердца. В неврологической практике заметно, что во многих патоло- гическиз процессах их генезом являются расстройства мембранных процессов.
В заключении
следует отметить, что трансмембранная разность потенциалов является универсальным явлением, без участия которой не происходят никакие яв- ления как в нормальных, так и патологических условиях.
Ключевые слова: трансмембранная разность потенциалов, потенциал действия, ион- ная асимметрия, градиент концентрации для ионов Na
+
, К
+
,
Cl
– и Ca
2+
, ионные каналы, во- ротный механизм, проводимость ионных каналов, потенциалы равновесия, транспорт ионов через мембрану, белковая структура поры, тетрамер белковых молекул ионного ка- нала, «лопасти» тетрамера, механизм конформации белков ионного канала.
1
95

БЛАГОДАРЮ ЗА ВНИМАНИЕ !
1
96

ДОПОЛНЕНИЯ

Сигнальные
G-белки
G-белки
(англ.
G-proteins)
являются универсальными посредниками при пере-даче гормональных, медиаторны и других сигналов от
метаботропных
рецепторов клеточной мембраны к эффекторным белкам, вызывающим конечный клеточный ответ.
Особенностями G-белков является их способность связывать
гуанозиновые
нуклеотиды. Они тесно связаны с рецепторами и с мембраной клетки. Гуанози- ны входит в состав биологически активных гуаниловых нуклеотидов:
гуанозин-
фосфатов
– (моно-ГМФ, ди-ГДФ и три-ГТФ). Причем,
гуанозинтрифосфат
(ГТФ) – богатое энергией фосфатное соединение является коферментом некоторых реакций, например, синтеза белка. В неактивном состоянии G-белки связаны с ГДФ. При связывании рецептора с лигандом происходит замещение
ГДФ на ГТФ, в результате чего происходит активация мембранных и внутри- клеточных реакций.
G-белки имеют
гетеротримерную
структуру. Его
протомеры
состоят из бо- льшой α-субединицы (около 45 кДа), а также меньших β- и γ-субъединиц. Α-су- бъединица обладает ГТФ-азной активностью, в неактивной (выключенной) фор- ме она связывает молекулу ГДФ. Субъединицы β- и γ связаны между собой, и в неактивном состоянии β/γ-комплекс непрочно связан с α-субъединицей. Связи субъединиц обеспечивают то, что G-белок удерживается в плоскости мембраны, но в то же время способен там легко двигаться.
G-белки – это регуляторные белки, связывающие
гуанозинфосфаты
при их активации. Лучше всего изучены G-белки, стимулирующие и ингибирующие
аденилатциклазу.
1
97

Механизм участия G-белков в управлении функциями клетки представляется следую- щим образом. Гормоны, нейротрансмиттеры, нейромодуляторы и другие вещества явля- ются
первичными
химическими переносчиками управляющей информации к клетке.
Многие из них взаимодействуют со специфичными для них рецепторами мембраны клеток реакции.
Каждый из этих многообразных рецепторов ассо- циирован с соответствующей ему формой G-белка.
Например, с
G-белком сопряжены β
1
-адренорецеп- пторы, β
2
-адренорецепторы и D
1
-рецепторы, и поэ- тому их стимуляция сопровождается активацией
аденилатциклазы
и повышением внутриклеточ- ной концентрации циклического аденозинмоно- фосфата (
цАМФ
) – классического посредника, за- пускающего внутриклеточные процессы.
При взаимодействии первичного переносчика с рецептором, G-белок клетки активируется и стиму- лирует образование
вторичного переносчика ин- формации внутри клетки. Внутриклеточный
вто-
ричный
переносчик информации вызывает реакцию клетки, соответствующую свой- ствам
первичного
переносчика информации. Наиболее известными вторичными пере- носчиками информации являются: цАМФ, циклический гуанозинмонофосфат (цГМФ), ионы Сa
2+
, инозитолтрифосфат (ИТФ), простагландины, простациклины, NO.
1
98

Детальнее процессы, происходящие с G-белком в цитоплазме клетки, представ- ляются следующими. Конечный ответ в разных клетках различен и зависит от того, что представляет собой эффекторы (фермент, ионный канал и прочее).
Внекле- точным
вестником сигнала
могут быть разные молекулы, в том числе медиаторы и гормоны. Эти молекулы не проникают внутрь клетки, но узнаются мембранными рецепторами. При активации
аденилатциклазы
происходят следующий каскад про- цессов:
- изменение конформации рецептора после присоеди- нения к нему сигнальной молекулы и увеличение его сродства к регуляторному G-белку. В результате образу- ется комплекс рецептора и протомеров G-белка;
- образование этого комплекса приводит к изменению конформации G-белка, который теряет сродство к ГДФ и происходит замена ГДФ на ГТФ. В результате комплекс протомеров G-белка распадается;
- взаимодействие α-протомера с аденилатциклазой, что ведет к изменению ее конформации и, как следст- вие, к активации;
- после этого аденилатциклаза катализирует синтез цAMФ, который в свою очередь активирует цAMФ-за- висимую протеинкиназу. Активация последней связана с диссоциацией комплекса, входящих в нее протомеров, после присоединения цAMФ. Протеинкиназа фосфори- лирует соответствующие ферменты, изменяет их активность и, следовательно, скорость метаболизма в клетке.
Потенциально рецептор может активировать большое количество молекул G-белка, обеспечивая, таким обра- зом, высокий коэффициент усиления внеклеточного сигнала на данном этапе. Активированная α-субединица G- белка диссоциирует от β-γ-субъединиц и вступает во взаимодействие с соответствующим эффектором, оказывая на него активирующее или ингибирующее воздействие. А-субъдиница с присоединенным с ней ГТФ способна взаимодействовать с эффектором в мембране – ферментами, или, возможно, ионными каналами.
Фермент может
активироваться или ингибироваться, а ионный канал – открываться или закрываться.
1
99

ТЭА - блокатор калиевых каналов
В.И. Беляев и Б.И. Ходоров показали, что, помимо увеличения мембранного по- тенциала под влиянием тетраэтиламмония (ТЭА), в миелинизированных нервных волокнах происходит
восстановление
амплитуды потенциала действия, если до этого он был значительно
уменьшен
гиперкалиевым внеклеточным раствором. Фе- номен калиевой деполяризации состоит в том, что в результате замены нормального раствора Рингера на гиперкалиевый раствор происходит снижение мембранного по- тенциала, что сопровождается падением амплитуды потенциала действия.
Влияние, оказываемое ТЭА на электрическую активность нервного волокна при одиночном раздражении в гиперка- лиевом (30 мМ) растворе Рингера: А - потенциал действия
(а) и следовая деполяризация (б - г) в нормальном растворе
Рингера. Б - то же под действием гиперкалиевого раствора.
В - после добавления к гиперкалиевому раствору ТЭА.
Таким образом,
блокирование
калиевых каналов ТЭА устраняет вызванную избыт- ком калия деполяризацию мембраны, поскольку добавление ТЭА в наружный гипе- ркалиевый раствор ведет к
восстановлению
сниженного избытком ионов К
+
мемб- ранного потенциала и амплитуды потенциала действия.
Эти эффекты еще более выражены при ритмическом раздражении нервного волокна. Гиперкалиевый раствор вызывает падение амплитуды потенциала действия и уменьшение амплитуды и длительности следовой деполяризации.
1
100

Гиперкалиевый раствор вызывает падение амплитуды потенциала действия и уменьшение амплитуды и длительности следовой деполяризации. Посттетаническая деполяризация подвергалась ослаблению под влиянием избытка калия. Добавление к гиперкалиевому раствору ТЭА вызвало увеличение как амплитуды деполяризаци- онного сдвига, так и амплитуды и длительности посттетанической де
-поляризации.
В растворе Рингера с нормаль- ным содержании калия подобные явления
не наблюдаются
Эффект совместного действия ТЭА и гипер- калиевого (30 мМ) раствора Рингера на следо- вые потенциалы при ритмическом раздраже- нии нервных волокон. А – следовые потенци- алы при ритмической стимуляции нервного волокна с частотой 10 (1), 50 (2), 100 (3) и 300
(4) Гц в нормальном растворе Рингера. Б – снижение следовой деполяризации при дейст- вия гиперкалиевого раствора. В – усиление следовой деполяризации после добавления к гиперкалиевому раствору ТЭА .
В экспериментальной практтике ТЭА используется как
специфический блока-
тор
калиевых каналов.

Тетродотоксин – антагонист натриевых каналов
Это вещество представляет собой соединение аминопергидрохиназолина с гуа- нидиновой группой.
Гуанидиновая группа
по своим размерам и форме
похожа
на гидратированные ионы Na
+
и имеет сильную
тропность
к натриевым каналам нервных волокон. Благодаря большим физическим раз- мерам всей молекулы
тетродотоксин
(ТТХ)
закупо- ривает натриевые каналы, как пробка, в результате че- го нервные волокна теряют способность проводить импульсы. Таким образом, ТТХ является антагонистом натриевых каналов мембраны клетки.
Эффект тетродотоксина на ток иона Na
+ натриевом канале мозга кры- сы. На оси ординат - % заторможенных натриевых каналов , по оси абсцисс – концентрация тетродотоксина в нМ. *IC
50
в данном экспе- рименте состаляет 3 нМ тетродотоксина
Сегодня с определенностью можно говорить о том, что механизм действия
тетро-
дотоксина
на нервную ткань заключается в том, что он прекращает передачу нерв- ного импульса, блокируя движение ионов Na
+
. Действие яда специфично – оно нап- равлено на проницаемость мембраны, которая становится при его действии непрони- цаемой для ионов Na
+
, тогда как ионы К
+
по-прежнему проникают сквозь нее.
*
IC
50
– является количественным показателем того, сколько необходимо лиганда для торможения биологиче- ского процесса на 50%.
1
101

Современное понимание действия тетродотоксина дает возможность понять те мистичес- кие измышления, которые всегда сопровождали это вещество.
Что же было такого в истории тетродотоксина? Несколько слов об этом.
Прежде всего, следует отметить, что
тетродотоксин
, как яд известен давно и в перспективе он может стать первоклассным обезболивающим средством. В Японии уже сейчас продают это вещество в малых концентрациях в качестве болеутоляющего, хотя до сих пор мы еще не научились достигать точного результата в его действии. На Востоке этот яд давно применяют для лечения астмы, головных болей, кашля, столбнячных спазмов. Фармакологи достаточно хорошо изучили состав яда. В природе он встречается достаточно широко. Чаще всего его добывают из иглобрюховых рыб (на Гаити ее называют рыбой-жабой, а в Японии ее же называют фугу). Хотя рыба-жаба Гаити меньше по размерам, чем фугу Японии, но она не менее ядовита. Яд содержится в коже, печени и костях.
Тетродотоксин
очень быстро убивает человека. Один из первых симптомов отравления – покалывание и онемение во рту. Далее человек испытывает тошноту, понос, боли и происхо- дит паралич всего тела при полном сохранении сознания. Отравленного человека принимают за умершего и хоронят. Выжившие после отравления люди рассказывают, что видели и ощу- щали все вокруг себя, но не могли ни говорить, ни двигаться.
Считается, что фугу – это национальная кухня Японии, хотя так нельзя считать. Дело в том, что тогда и опиум и гашиш мы должны назвать национальной кухней Афганистана или Тур- ции, а мухоморы – национальной кухней карелов и финнов.
Японцы используют фугу как наркотик, а не как некое вкусное блюдо, созданное в резуль- тате поварского искусства. Тут искусства никакого нет – рыба подается в сыром виде (при об- жаривании или варке яд может не сохраниться).
Рыбу просто потрошат, снимают кожу, вынимают внутренности, моют – и тонко режут на дольки, красиво выкладывая их на блюде.
Потом наркоманы в ресторанах ее едят палочками, ловя при этом «кайф».