Строение клеточной мембраны и ионных каналов

Клеточная мембрана состоит из трех слоев:

1) наружного белкового слоя,

2) среднего билипидного слоя,

3) внутреннего белкового слоя.

Средний слой мембраны состоит из двойного ряда молекул фосфолипидов, гидрофильные головки которых обращены к наружному и внутреннему слоям клеточной мембраны, а гидрофобные концы - друг к другу (к центру мембраны).

Билипидный слой мембраны насквозь пронизывают белковые молекулы, которые образуют стенки ионных каналов, обладающих селективностью – способностью избирательно пропускать определенные ионы.

С наружной стороны ионного канала, обращенной к межклеточной жидкости, расположен селективный фильтр, обеспечивающий избирательную проницаемость мембраны для различных ионов в зависимости от их размеров и зарядов.

С внутренней стороны ионного канала, обращенной к цитоплазме, располагается воротное устройство (воротный механизм), регулирующее величину потока иона, проходящего через ионный канал.

В жидком липидном слое мембраны находится и свободно плавает специальный положительно заряженный аппарат, чувствительный к изменению внутримембранного электрического поля – сенсор напряжения, который обеспечивает открытие или закрытие воротного устройства.

При действии раздражителя на клеточную мембрану происходит изменение внутримембранного электрического поля, которое воспринимает свободно плавающий в жидком липидном слое сенсор напряжения. В результате этого он приближается к воротному устройству. А поскольку сенсор напряжения заряжен положительно, он экранирует (нейтрализует) отрицательные заряды белковых молекул в области воротного устройства ионного канала. При этом происходит изменения конформации (пространственного расположения) белковых молекул в области воротного устройства, ионный канал открывается и начинает пропускать ионы.

Ионный канал может находиться в двух состояниях: закрытом или открытом. Поэтому проницаемость мембраны для иона определяется количеством открытых ионных каналов.

В клеточных мембранах содержатся натриевые, калиевые, кальциевые ионные каналы, а также каналы, пропускающие анионы хлора. Наибольшей селективностью обладают калиевые каналы, которые практически непроницаемы для ионов натрия.

Живая клетка может находиться в двух состояниях: 1 ) в состоянии относительного покоя, когда на нее не действуют раздражители, и 2) в состоянии деятельности (возбуждения), когда на клетку действуют раздражители.

Состояние покоя характеризуется поляризацией клеточной мембраны и мембранным потенциалом покоя (МПП).

Состояние деятельности характеризуется двумя электрическими процессами: 1) деполяризацией клеточной мембраны (уменьшением величины МПП) и 2) реполяризацией мембраны (возвращением мембранного потенциала к уровню МПП).

Поляризация – это наличие противоположных зарядов на внутренней и наружной сторонах мембраны клетки, находящейся в состоянии покоя.

В состоянии покоя внутренняя сторона клеточной мембраны и цитоплазма заряжены электроотрицательно (-60-90 мВ) по отношению к положительно заряженной наружной стороне мембраны и омывающей ее межклеточной жидкости, потенциал которых условно принимают за нуль.

Если в цитоплазму клетки, находящейся с состоянии покоя, ввести стеклянный микроэлектрод, заполненный 3 М раствором КCl (с диаметром кончика 0,5 мкм), а к наружной стороне клеточной мембраны приложить макроэлектрод и присоединить оба электрода к входу усилителя биопотенциалов, то в момент прокола мембраны микроэлектродом (и его поступления в цитоплазму) луч на экране осциллографа резко сместится вниз и установится на уровне –60-90 мВ, который отражает величину мембранного потенциала покоя.

Существующую в покое относительную разность потенциалов между внутренней и наружной сторонами клеточной мембраны называют мембранным потенциалом покоя (МПП).

У большинства нервных клеток мембранный потенциал покоя колеблется в пределах от –60 до –80 мВ. У исчерченных мышц локомоторного аппарата величина МПП выше и достигает –90 мВ.

Величина МПП измеряется по модулю (то есть по абсолютному значению), а отрицательный знак перед значением МПП указывает на то, что микроэлектрод, введенный в цитоплазму, регистрирует величину ее электроотрицательности относительно положительно заряженной поверхности наружной стороны мембраны.

Величина потенциала мембраны определяется тремя факторами:

1) зарядом транспортируемых ионов через мембрану (положительным или отрицательным);

2) величиной потока ионов, проходящих через ионный канал;

3) направлением потока ионов (движением их в клетку или из клетки).

 

Механизм потенциала покоя

 

Согласно современной мембранной теории, в основе механизма формирования МПП лежат две причины:

1) наличие ионной асимметрии,

2) неодинаковая проницаемость клеточной мембраны для различных ионов.

Ионная асимметрия – это неравномерное распределение различных ионов по обе стороны клеточной мембраны.

Ионная асимметрия сохраняется как в состоянии покоя, так и в состоянии деятельности до тех пор, пока клетка остается живой. Она исчезает только после гибели клетки, когда концентрация различных ионов в межклеточной жидкости и в цитоплазме становится одинаковой, что сопровождается исчезновением МПП, величина которого становится равной нулю.

В живых тканях концентрация катионов калия (К ⁺) в цитоплазме во много раз выше, чем в межклеточной жидкости. Концентрация катионов натрия (Na⁺), кальция (Са⁺²) и анионов хлора (Cl^-), напротив, значительно больше в межклеточной жидкости, чем в цитоплазме.

Неравномерное распределение различных ионов между наружной и внутренней сторонами клеточной мембраны является причиной возникновения концентрационных градиентов.

Концентрационный градиент – это разность концентраций вещества, находящегося по разные стороны клеточной мембраны, которая обеспечивает перемещение вещества через мембрану из области большей концентрации в сторону меньшей концентрации.

Концентрационный градиент для катионов калия направлен из клетки в межклеточную жидкость, а концентрационный градиент для катионов натрия, кальция и анионов хлора – из межклеточной жидкости в цитоплазму клетки.

Направленное движение ионов через клеточную мембрану может обеспечивать не только концентрационный, но и электроградиент.

Электрический градиент – это разность противоположно заряженных сторон клеточной мембраны, обеспечивающая движение заряженных частиц от одноименного электрического полюса к противоположному.

Поскольку наружная сторона мембраны в состоянии покоя клетки заряжена положительно, положительно заряженные ионы натрия, калия и кальция переносятся по электороградиенту из межклеточной жидкости в цитоплазму, отталкиваясь от положительного полюса и притягиваясь к отрицательному полюсу мембраны. Отрицательно заряженные ионы хлора, напротив, переносятся по электоградиенту от внутренней стороны мембраны, заряженной отрицательно, к наружной стороне мембраны, заряженной положительно.

Сумму или разность концентрационного и электрического градиентов называют электрохимическим градиентом.

Электрохимический градиент для ионов натрия и кальция представляет собой сумму концентрационного и электрического градиентов, так как их концентрационный градиент направлен из межклеточной жидкости, где концентрация ионов натрия и кальция высокая, в клетку, где концентрация этих ионов низкая, а электроградиент обеспечивает перенос положительно заряженных ионов от наружной (положительно заряженной) стороны мембраны к внутренней (отрицательно заряженной) стороне мембраны.

Электрохимический градиент для ионов калия представляет собой разность концентрационного и электрического градиентов, поскольку концентрационный градиент для ионов калия направлен из цитоплазмы, где его концентрация высокая, в межклеточную жидкость, где его концентрация низкая, а электроградиент обусловливает переход положительно заряженных ионов калия в противоположном направлении: от положительно заряженной наружной стороны мембраны к отрицательно заряженной внутренней стороне мембраны.

Электрохимический градиент для ионов хлора представляет разность между концентрационным и электрическим градиентами, так как концентрационный градиент для анионов хлора направлен из межклеточной жидкости в цитоплазму, а электроградиент – от внутренней (отрицательно заряженной) к наружной (положительно заряженной) стороне мембраны.

Проницаемость клеточной мембраны для различных ионов неодинакова и зависит от функционального состояния клетки.

Проницаемость – это свойство клеточной мембраны избирательно пропускать определенные химические вещества с помощью механизмов пассивного или активного транспорта.

Выделяют три основных признака пассивного транспорта:

1) перенос вещества осуществляется через клеточную мембрану по электрохимическому градиенту (по концентрационному или электроградиенту);

2) происходит без затраты энергии клеточного метаболизма;

3) осуществляется без обязательного участия внутримембранных переносчиков.

Активный транспорт характеризуется тремя признаками:

1) перенос вещества через клеточную мембрану осуществляется против электрохимического градиента;

2) происходит с затратами энергии клеточного метаболизма непосредственно на мембране;

3) осуществляется с обязательным участием внутримембранных белково-липидных переносчиков.

Главный вклад в формирование мембранного потенциала покоя (МПП) вносят ионы калия, пассивно транспортируемые через клеточную мембрану по концентрационному градиенту.

В состоянии покоя проницаемость клеточной мембраны для ионов калия значительно выше, чем для других ионов. Поэтому ионы калия пассивно, по концентрационному градиенту, выходят из цитоплазмы в межклеточную жидкость и при этом выносят из клетки положительные заряды. Выйдя на наружную поверхность мембраны, положительно заряженные ионы калия фиксируются на ней за счет сил электростатического притяжения, которые они испытывают со стороны отрицательно заряженных крупных белковых молекул цитоплазмы, неспособных проникать через клеточную мембрану. Возникающая при этом трансмембранная разность потенциалов характеризует уровень МПП.

Таким образом, именно ионы калия в основном определяют величину МПП.

При повышении внутриклеточной концентрации ионов калия (в том числе, при искусственном введении их в цитоплазму) уровень МПП увеличивается, так как возрастает величина концентрационного градиента и увеличивается поток выходящих из клетки положительно заряженных ионов К⁺.

При повышении концентрации ионов К⁺ в межклеточной жидкости уровень МПП уменьшается, так как снижается величина концентрационного градиента и уменьшается поток выходящих из клетки ионов К⁺.

В состоянии покоя проницаемость клеточной мембраны для ионов натрия очень низкая (в десятки раз ниже, чем для ионов калия), что определяет небольшую величину потока ионов Na ⁺, пассивно проникающих по электрохимическому градиенту из межклеточной жидкости в цитоплазму и приносящих в нее положительные заряды. Поэтому величина электроотрицательности цитоплазмы и уровень МПП незначительно снижается. По этой причине величина МПП у большинства нервных клеток ниже рассчетной и составляет - 60-80 мВ.

Уровень МПП у мышечных волокон двигательного аппарата выше и достигает -90 мВ, так как существенный вклад в его формирование, наряду с ионами К⁺, вносят ионы Сl^-. В состоянии покоя анионы хлора пассивно, по концентрационному градиенту, поступают из межклеточной жидкости в клетку и приносят в нее отрицательные заряды. Поэтому величина электоотрицательности цитоплазмы и уровень МПП возрастает.

Механизмом, поддерживающим ионную асимметрию живой клетки, является натрий-калиевый насос, который обеспечивает активный транспорт ионов Na ⁺ из цитоплазмы в межклеточную жидкость и ионов К⁺ из межклеточной жидкости в цитоплазму.

На внутренней стороне мембраны три иона Na⁺ соединяются с внутримембранным переносчиком и образуют с ним комплекс, который переносит ионы натрия против электрохимического градиента на наружную сторону мембраны, где этот комплекс распадается и ионы Na⁺ остаются во внеклеточной жидкости. Тем самым поддерживается высокая концентрация ионов Na ⁺ в межклеточной жидкости.

После освобождения от ионов натрия белково-липидный переносчик изменяет свою конформацию, благодаря чему повышается его сродство к ионам калия.

На наружной стороне мембраны переносчик вступает в комплекс с двумя ионами К⁺ и против концентрационного градиента переносит их на внутреннюю сторону мембраны, где этот комплекс распадается и ионы К⁺ переходят в цитоплазму. Благодаря этому поддерживается высокая концентрация ионов К⁺ в цитоплазме.

Энергия клеточного метаболизма ( АТФ ) непосредственно расходуется на конформационные ( пространственные ) изменения химической структуры белково-липидного мембранного переносчика, благодаря чему повышается его сродство к ионам Na ⁺.

За один цикл из клетки удаляется один положительный заряд, что приводит к увеличению электроотрицательности цитоплазмы и повышению уровня МПП.

Благодаря работе активного мембранного транспортного механизма – натрий-калиевого насоса поддерживается неравновесная концентрация ионов калия и натрия между цитоплазмой и межклеточной жидкостью. В состоянии покоя энергия накапливается в виде концентрационных градиентов, которая частично расходуется в процессе возбуждения при действии раздражителя на мембрану.

Под влиянием раздражения клетка из состояния покоя переходит в деятельное состояние, которое проявляется в виде возбуждения.

Раздражение – это процесс воздействия раздражителя на живую ткань.

Раздражитель - это любой фактор внешней и внутренней среды, действующий на ткань и обладающий достаточной силой, длительностью и крутизной нарастания силы во времени для возбуждения ткани.

 

Классификация раздражителей

По энергетической природе раздражители подразделяют на:

1) физические,

2) химические,

3) физико-химические.

По силе раздражители подразделяются на три группы:

1) пороговые,

2) подпороговые,

3) надпороговые.

Пороговыми называются раздражители минимальной силы, вызывающие при действии на ткань генерацию (возникновение) распространяющегося возбуждения.

Подпороговыми называются слабые раздражители (меньшей силы, чем пороговые), неспособные вызвать генерацию распространяющегося возбуждения.

К надпороговым относятся раздражители большей силы, чем пороговые раздражители.

По биологическому значению раздражители подразделяются на два вида:

1) адекватные;

2) неадекватные.

Адекватными называются такие раздражители, к восприятию которых ткань специально приспособилась в процессе эволюции и чувствительность которой к действию таких раздражителей очень высока.

Неадекватными называются раздражители, не являющиеся в естественных условиях факторами возбуждения живой ткани, чувствительность которой к действию таких раздражителей очень низка.