Биоэлектрические явления в живых тканях. Строение мембраны. Функции мембранных белков. Ионные каналы.

Потенциал действия и его фазы. Изменение возбудимости мембраны в процессе одного цикла возбуждения.

 

Регистрация электрических потенциалов в нервном и мышечном волокнах или в нервной клетке показала, что при действии раздражителя происходит изменение МП. Под влиянием раздражителя подпороговой силы изменения МП невелики и имеют местный (локальный) характер. Такое изменение MП получило название локального потенциала, и оно не сопровождается целостной реакцией клетки. При действии раздражителя пороговой или сверхпороговой силы изменения МП максимальны и последовательно охватывают всю мембрану клетки. Это изменение получило название распространяющегося потенциала, или потенциала действия (ПД), поскольку он вызывает характерную для данной клетки специализированную реакцию.

 

Механизм возникновения ПД заключается в следующем. Под влиянием раздражителя пороговой или сверхпороговой величины проницаемость мембраны клетки для Na+ возрастает, они устремляются внутрь клетки, что приводит к уменьшению величины МП — деполяризации мембраны (рис. 2.3). Вначале процесс деполяризации развивается медленно, что отражает так называемый предспайковый, или медленный, потенциал. При уменьшении МП до критического уровня деполяризации (КУД), т. е. момента, когда медленная деполяри-зация переходит в быструю, проницаемость мембраны для Na+ мгновенно и максимально увеличивается (в 500 раз) и превышает проницаемость для К+ в 20 раз. Быструю деполяризацию отражает так называемый спайковый, или быстрый, потенциал. В результате проникновения Na+ в цитоплазму и их взаимодействия с отрицательно заряженными анионами трансмембранная разность потенциалов сначала исчезает, а затем происходит перезарядка клеточной мембраны (поляризация с обратным знаком, или инверсия заряда, или овершут) — внутренняя поверхность мембраны заряжается положительно по отношению к наружной. Этот потенциал превы-шения достигает величины 30—50 мВ. При достижении процессом обратной поляризации максимального значения закрываются быстрые натриевые каналы (происходит инактивация натриевой проницаемости) и открываются калиевые каналы, через которые К+ выходит из клетки, что приводит к восстановлению исходного уровня мембранного потенциала покоя, т.е. происходит реполяризация мембраны. Процесс реполяризации отражают нисходящая часть спайкового потенциала, следовые деполяризация и гиперполяризация мембраны.

Потенциал действия может быть зарегистрирован двумя способами: внеклеточным — с помощью электродов, приложенных к внешней поверхности клетки; внутриклеточным — с помощью электродов, один из которых введен внутрь клетки, а другой расположен на ее поверхности.

При отведении от внутренней поверхности клетки потенциал действия имеет сложную форму и состоит из нескольких компонентов (см. рис. 2.3).

• Предспайковый потенциал (препотенциал, локальный потенциал) отражает процесс медленной деполяризации мембраны от уровня МП до критического уровня деполяризации.

• Спайковый потенциал (спайк, распространяющийся потенциал или собственно потенциал действия) своей восходящей частью отражает процесс быстрой деполяризации мембраны и ее перезарядки, а нисходящей — процесс быстрой реполяризации мембраны.

• Следовая деполяризация отражает процесс медленной реполяризации мембраны.

• Следовая гиперполяризация отражает увеличение поляризации мембраны относительно исходного уровня МП.

Состоянию исходной поляризации мембраны, которую отражает мембранный потенциал покоя, соответствует исходное состояние ее возбудимости, или нормальный уровень возбудимости, принимаемый за 100 %.

В период развития предспайкового потенциала возбудимость повышается. Эта фаза изменения возбудимости получила название фазы латентного дополнения (первичной экзальтации). Механизм повышения возбудимости в этот период связан с уменьшением поляризации мембраны, т.е. с приближением МП к критическому уровню. В этих условиях уменьшается прочность закрытия активационных ворот натриевых каналов, поэтому сила раздражителя, необходимая для доведения процесса до критического уровня деполяризации, меньше, чем в исходном состоянии.

В период развития спайкового потенциала натриевые каналы открыты полностью, в результате чего мембрана утрачивает способность отвечать на действие любого раздражителя; эта фаза называется фазой абсолютной рефрактерности (абсолютной невозбудимости).

В период уменьшения спайкового потенциала натриевая проницаемость мембраны постепенно восстанавливается, так как состояние части натриевых каналов возвращается к исходному; это сопровождается сменой абсолютной рефрактерности мембраны на относительную рефрактерность. В этот период ответная реакция может быть вызвана, но для ее возникновения необходимо использовать сверхпороговые раздражители.

Периоду следовой деполяризации соответствует повышенный уровень возбудимости — фаза вторичной экзальтации. Так как мембранный потенциал в эту фазу ближе к критическому уровню деполяризации по сравнению с состоянием покоя (исходной поляризацией), то порог раздражения снижен, и новое возбуждение в эту фазу может возникнуть при действии раздражителей подпороговой силы.

В период развития следовой гиперполяризации возбудимость ткани понижена — фаза субнормальной возбудимости (вторичной рефрактерности). В эту фазу мембранный потенциал увеличивается относительно МПП, удаляясь от критического уровня деполяризации. Следовательно, порог раздражения повышается и новое возбуждение может возникнуть только при действии раздражителей сверхпороговой величины.

Гиперполяризация мембраны обусловлена, во-первых, продолжающимся выходом К1; во-вторых, возможно, открытием каналов С1" и поступлением этих ионов в цитоплазму клетки; в-третьих, усиленной работой Na+-, К+-насоса. Снижение возбудимости в этот период связано с увеличением прочности закрытия активационных ворот натриевых каналов, которая возрастает при увеличении поляризации мембраны.

 

Биоэлектрические явления в живых тканях. Строение мембраны. Функции мембранных белков. Ионные каналы.

Раздражимость - способность отвечать на действие раздражающих факторов изменением структурных и функциональных свойств. Раздражимостью обладают все ткани животных и растительных организмов.

Возбудимость - способность ткани отвечать на раздражение специализированной реакцией — возбуждением.

Возбуждение — специализированная ответная реакция живого объекта на действие раздражителя, проявляющаяся в определенных изменениях его обменных, тепловых, электрических, морфологических и функциональных параметров. Возбудимостью обладают нервная, мышечная и железистая ткани; их объединяют понятием «возбудимые ткани». Для них специализированными ответными реакциями будут соответственно генерация и проведение возбуждения, сокращение, секреция. Возбудимость различных тканей неодинакова.

Мерой возбудимости является порог раздражения — минимальная сила раздражителя, которая способна вызвать возбуждение (ответную реакцию). Менее сильные раздражители называются подпороговыми, а более сильные — сверхпороговыми. Раздражителем живого объекта может быть любое изменение внешней или внутренней среды организма, если оно достаточно велико, возникло достаточно быстро и продолжается достаточно долго.

В состоянии покоя между наружной и внутренней поверхностями мембраны клетки существует разность потенциалов, которая была названа мембранным потенциалом покоя (МПП) или мембранным потенциалом (МП). Его величина у разных клеток колеблется от 60 до 90 мВ,-

Гипотезы об ионной природе МПП были сформулированы В.Ю. Чаговцем (1896), Ю. Бернштейном (1902), привлекавшим к объяснению причин возникновения МПП теорию электролитической диссоциации Аррениуса, представления о роли клеточных мембран и различных ионов. В 1949—1952 гг. Ходжкин, Хаксли, Катц модифицировали существовавшие ранее концепции и экспериментально обосновали основные положения мембранно-ионной теории. Согласно этой теории, возникновение МП обусловлено неодинаковой концентра-цией прежде всего ионов Na+, К+, Са2+, С1 внутри клетки и во внеклеточной среде, а также неодинаковой проницаемостью для этих ионов поверхностной мембраны клетки.

Цитоплазма нервных и мышечных клеток содержит в 30— 50 раз больше К+, в 8—10 раз меньше Na+ и в 20 раз меньше С1~, чем внеклеточная жидкость. Следовательно, в состоянии покоя существует асимметрия концентрации ионов внутри клетки и в окружающей ее среде.

 

Клетку ограничивает тончайшая оболочка толщиной 6— 12 нм — поверхностная мембрана, или плазматическая мембрана, или плазмалемма. В ее состав входят липиды (в основном фосфолипиды), белки (в основном гликопротеины) и углеводы (в основном мукополисахариды). Согласно общепринятой трехмерной жидкостно-мозаичной модели мембраны Сингера—Николсона (1972), ее основу, матрикс, образует двойной слой фосфолипидов. Механическую прочность липидных слоев мембраны увеличивает холестерол, связывающийся с полярными головками фосфолипидов. В фосфолипидный матрикс полностью (т.е. пронизывая его насквозь) погружены молекулы белков — интегральные белки. Другая группа мембранных белков, которые также частично погружены в мембрану и связаны с ее внешней или внутренней поверхностями, называется поверхностными белками. Интегральные белки выполняют функцию ионных каналов и насосов — переносчиков веществ через мембрану и наряду с поверхностными белками — функции рецепторов химических раздражителей (гормонов, медиаторов, антигеном) и редко — ферментов. Функции поверхностных белков более многочисленны: рецепторные, ферментативные, структурные, сократительные, адгезивные, медиаторные (и качестве вторичных посредников). Углеводы в виде олигосахаридных цепей присоединены к белкам (гликопротеины) и липидам (гликолипиды) и создают на наружной поверхности мембран разветвленную сеть рецепторов, участвующих в процессах определения специфичности белковых и к МП очных структур.

Мембраны выполняют следующие функции:

• барьерную, отделяющую внутреннюю среду клетки от окружающей среды, что обеспечивает клетке относи-тельное постоянство состава цитоплазмы, определенный уровень ионной асимметрии с внешней средой, участие в генерации электрических явлений;

• транспортную, связанную с движением ионов через мембрану, т.е. с формированием ионных токов через ионные каналы, насосы и ионообменники;

• рецепторную, благодаря которой клетка реагирует на сигналы внешней среды или изменения состава внутренней среды;

• регуляторную, включающую тонкие изменения активности внутриклеточных ферментных систем в связи с действием биологически активных веществ;

• контактную, благодаря которой обеспечивается механическая связь между клетками, а также их функциональное взаимодействие;

• информационную, выражающуюся в передаче химических, электрических, электромагнитных сигналов от одной клетки к другой.

Ионные каналы мембраны делят на неспецифические (низкоселективные — каналы утечки) и специфические или высокоселективные, обладающие способностью пропускать только определенные ионы. Неспецифические каналы пропускают различные ионы и открыты постоянно. Специфические каналы открываются и закрываются в ответ на изменения МП (эти каналы называются потенциалозависимыми) или в ответ на действие химических веществ (хемозависимые каналы), или в ответ на механическую деформацию мембраны (механочувствительные каналы).

Структурной основой канала является белок, имеющий третичную или четвертичную организацию. Он образует ансамбль из нескольких субъединиц или повторяющихся доменов одного белка. Каждый домен имеет трансмембранные сегменты, состоящие из определенных последовательностей аминокислот. Субъединицы, или домены, образуют цилиндр, имеющий пору. В структуре канала выделяют наружное и внутреннее устья, свойства белка которых обеспечивают селективность канала.

Селективные потенциалозависимые ионные каналы подразделяют на натриевые, калиевые, кальциевые и хлорные. Канал состоит из собственно канала (транспортной части) и воротного механизма («ворот»), который управляется электрическим полем мембраны. В каждом канале предполагают наличие двух типов «ворот»: быстрых, или активационных (М), и медленных, или инактивационных (h). «Ворога» могут быть открыты или закрыты. Например, в состоянии покоя клетки в натриевом канале «ворота» m закрыты, а «ворота» h открыты. При уменьшении заряда мембраны (деполяризации) «ворота» М открываются и канал переходит в проводящее состояние, т.е. через него начинают проходить под действием сил концентрационного и электрохимического градиентов ионы натрия. Затем при достижении процессом деполяризации определенного момента закрываются инактивационные «ворота» и канал перестает пропускать ионы, т.е. он инактивируется. По мере восстановления МП (реполяризация) инактивационные «ворота» медленно открываются, а активационные быстро закрываются и канал возвращается в свое исходное функциональное состояние. Активированный натриевый канал пропускает 6000 ионов в 1 мс. Суммарный ионный ток достаточно велик, так как активируется большое число натриевых каналов.

• Хемозависимые селективные каналы входят в состав мембранных рецепторов, на которые действуют химические посредники передачи информации в синапсе (медиаторы), лекарственные вещества, антигены и токсины.

• Механочувствительные селективные каналы реагируют на механическую деформацию мембраны изменением проницаемости каналов к различным катионам и анионам.

• Установлено, что каждый вид селективного канала по своим свойствам может быть дифференцирован еще на несколько типов. Так, потенциалозависимые натриевые каналы делят на каналы быстрого, медленного и сверхмедленного токов, что обеспечивает участие натриевых каналов в формировании различных процессов на мембране клетки.

• Хемочувствительные натриевые каналы различают по чувствительности к медиаторам (Н — холинорецептивный, глутаматчувствительный, НМДА-рецептивный) и селективности к различным ионам.

• Потенциалозависимые калиевые каналы делят на каналы раннего входящего тока, каналы задержанного выпрямления, каналы аномального выпрямления. Хемочувствительные калиевые каналы представлены М-холинорецептивными, Са2+-зависимыми и №+-зависимыми типами.

• Потенциалозависимые кальциевые каналы, увеличивая поступление Са2+ в клетку, обеспечивают сопряжение электрических мембранных процессов с метаболическими процессами. Различают каналы L-muna (медленные Са2+-каналы) — участвуют в формировании электрических процессов на мембране мышечных и нервных клеток; каналы Т-типа участвуют в формировании автоматии гладкомышечных и атипичных клеток миокарда, каналы Н-типа и Р-типа участвуют в освобождении медиатора из синаптических окончаний в мышцах и нервных клетках.

• Хлорные каналы представлены в мембранах эритроцитов, сердечных и скелетных миоцитов, в синапсах различных отделов нервной системы. Потенциалозависимые хлорные каналы участвуют в процессах генерации электрических изменений на мембране, например укорачивают фазу реполяризации мембраны. Хемозависимые хлорные каналы входят в состав тормозных синапсов нервной системы: ГАМК-рецептивных и глицин-рецептивных.