Исследование ионных токов. Запас ионов в клетке

 

ПД обусловлен циклическим процессом входа Na⁺ в клетку (восходящая часть пика) и последующим выходом К⁺ из клетки (нисходящая часть ПД), что является в свою очередь следствием активации и инактивации Na- и К-каналов.

Наиболее распространенный метод изучения функций ионных каналов - метод фиксации напряжения (voltage-clamp). Мембранный потенциал с помощью подачи электрического напряжения изменяют и фиксируют на определенном уровне, затем клеточную мембрану градуально деполяризуют, что ведет к открытию ионных каналов и возникновению ионного тока, который мог бы деполяризовать клетку. При этом пропускают электрический ток, равный по величине, но противоположный по знаку ионному току, поэтому трансмембранная разность потенциалов не изменяется. Это позволяет изучить величину ионного тока через мембрану. Применение различных блокаторов ионных каналов дает дополнительную возможность более глубоко изучить свойства каналов.

Количественное соотношение между ионными токами по отдельным каналам в покоящейся клетке и во время ПД и их кинетику можно выяснить с помощью метода локальной фиксации потенциала (patch-clamp). К мембране подводят микроэлектрод - присоску (внутри его создается разрежение) и, если на этом участке оказывается канал, исследуют ионный ток через него. В остальном методика подобна предыдущей. И в этом случае применяют специфические блокаторы каналов. В частности, при подаче на мембрану фиксированного деполяризующего потенциала было установлено, что через Na-каналы может проходить и ион К⁺, но его ток в 10-12 раз меньше, а через К-каналы может проходить ион Na⁺, его ток в 100 раз меньше, чем ток ионов К⁺.

Запас ионов в клетке, обеспечивающий возникновение возбуждения (ПД), огромен. Концентрационные градиенты ионов в результате одного цикла возбуждения практически не изменяются. Клетка может возбуждаться до 5 х 10⁵ раз без подзарядки, т.е. без работы Na/K-насоса. Число импульсов, которое генерирует и проводит нервное волокно, зависит от его толщины, что определяет запас ионов. Чем толще нервное волокно, тем больше запас ионов, тем больше импульсов оно может генерировать (от нескольких сотен до миллиона) без участия Na/K-насоса. Однако в тонких волокнах на возникновение одного ПД расходуется около 1% концентрационных градиентов ионов Na⁺ и К⁺. Если заблокировать выработку энергии, то клетка будет еще многократно возбуждаться. В реальной действительности Na/K-насос постоянно переносит ионы Na⁺ из клетки, а ионы K⁺ возвращает в клетку, в результате чего поддерживается концентрационный градиент Na⁺ и К⁺ за счет непосредственного расхода энергии, источником которой являетсяАТФ. Имеются данные, что увеличение внутриклеточной концентрации Na⁺ сопровождается повышением интенсивности работы Na/K-насоса. Это может быть связано исключительно с тем, что для переносчика становится доступно большее количество внутриклеточных ионов Na⁺.

ЛОКАЛЬНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ. ОЦЕНКА ПРОНИЦАЕМОСТИ КЛЕТОЧНОЙ МЕМБРАНЫ

А. Локальный потенциал. При раздражении возбудимой ткани не всегда возникает ПД. В частности, если сила раздражителя мала, то деполяризация не достигнет критического уровня, естественно, не возникнет импульсного распространяющего возбуждения. В этом случае ответ ткани на раздражение будет носить форму локального потенциала. Локальными потенциалами возбудимых клеток также являются: возбуждающий постсинаптический потенциал, рецепторные потенциалы, тормозный постсинаптический потенциал. Величина локальных потенциалов весьма вариабельна, она может достигать 10-30 мВ в зависимости от вида клеток. Свойства такого ответа существенно отличаются от импульсного (табл. 3.2).

Таблица 3.2