Файл: Лекция по мембранологии и электрогенезу. Автор академик намн украины, д мед н, проф. В. Н. Казаков мембранология и электрогенез.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.11.2023
Просмотров: 25
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Расширенная лекция по мембранологии и электрогенезу. Автор- Академик НАМН Украины, д.мед.н, проф. В.Н.Казаков
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 возбуждением. К возбудимым тканям относят нервные, мышечные и некоторые секреторные клетки. Возбуждение – это ответ ткани на ее раздражение, проявляющийся в специфической для нее функции, например, проведение возбуждения нервной тканью, сокращение мышцы, секреция железы и в неспецифических реакциях, например, генерация клеткой потенциала действия либо метаболические в ней изменения.
Одним из важных свойств живых клеток является электрическая возбудимость. Высокая чувствительность возбудимых тканей к действию 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.
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 возбуждением. К возбудимым тканям относят нервные, мышечные и некоторые секреторные клетки. Возбуждение – это ответ ткани на ее раздражение, проявляющийся в специфической для нее функции, например, проведение возбуждения нервной тканью, сокращение мышцы, секреция железы и в неспецифических реакциях, например, генерация клеткой потенциала действия либо метаболические в ней изменения.
Одним из важных свойств живых клеток является электрическая возбудимость. Высокая чувствительность возбудимых тканей к действию 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.
Детальный анализ результатов первого опыта Л.Гальвани провел Алессандро Вольта, который позволил ему сделать заключение, что электрический ток возникает не в живых клетках, а в месте контакта разно-родных металлов с электролитом, поскольку тканевые жидкости представляют собой раствор солей. В результате своих исследований А.Вольта создал устройство, получившее название «вольтов столб» – набор последовательно чередующихся цинковых и серебряных пластинок, разделенных бумагой, смоченной солевым раствором, которые про-изводил электричество и был прообразом электрической батареи. Однако Л.Гальвани в доказательство справедливости своей точки зрения предложил второй опыт. Он набрасывал на мышцу дистальный отрезок нерва, который иннервирует эту мышцу, при этом мышца также сокращалась (опыт без металлов). Отсутствие металлических проводников 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.
В этом опыте один нервно-мышечный препарат возбуждался током, а биотоки сокращающейся мышцы раздражали нерв второго нервно-мышечного 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 возникают 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 направление 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.
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.
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.
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.
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.
Схема образования мембранного потенциала в связи с существованием полупроницаемой мембраны.
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, величина потенциала покоя зависит от ряда факторов, в частности от избирательной (селективной) проницаемости клеточной мембраны для различных ионов
; различной концентрации ионов цитоплазмы клетки и ионов окружающей среды (ионной асимметрии); работы механизмов активного транспорта ионов. Все эти факторы тесно связаны между собой, и их разделение 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.
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 фундаментальный механизм поддержания градиента концентрации разных ионов на клеточной мемране – 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».
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 натрия 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