66921

МЕМБРАННЫЕ МЕХАНИЗМЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И ПРОВЕДЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Лекция

Биология и генетика

Для того, чтобы понять, как и почему возникает возбуждение в нервных или мышечных клетках, необходимо прежде всего уяснить основные правила обмена веществами между клеткой и окружающей её средой, поскольку ионы и небольшие молекулы одновременно растворены в водной среде клетки и во внеклеточном пространстве...

Русский

2014-09-01

105 KB

1 чел.

4. МЕМБРАННЫЕ МЕХАНИЗМЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И ПРОВЕДЕНИЯ         ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

4.1. Концентрационный и электрический градиенты

Для того, чтобы понять, как и почему возникает  возбуждение в нервных или мышечных клетках, необходимо прежде всего уяснить основные правила обмена веществами между клеткой и окружающей её средой, поскольку ионы и небольшие молекулы одновременно растворены в водной среде клетки и во внеклеточном пространстве, где их концентрация отличается от внутриклеточной. В среде биологов иногда говорят, что для исследования любой биологической проблемы Бог создал идеальный организм. Эксперименты, положенные в основу мембранной теории, были проведены в 40-х годах ХХ века на гигантских аксонах кальмара.

Диаметр этих аксонов достигает 1 мм, их можно увидеть даже невооружённым глазом, в них легко вводить  электроды, чтобы исследовать возникновение электрических сигналов - потенциалов действия. Именно на таком объекте работали основоположники мембранной теории, британские физиологи Алан Ходжкин и Эндрю Хаксли (Hodgkin A., Huxley A.), лауреаты Нобелевской премии 1963 года. Цитоплазма гигантских аксонов кальмара отличается от окружающей внеклеточной жидкости по концентрации некоторых ионов (Таблица 4.1).

        Таблица  4.1

Распределение важнейших ионов при невозбуждённом состоянии мембраны гигантского аксона кальмара

Виды ионов  Цитоплазма  Внеклеточная  Равновесный

        жидкость     потенциал

   ммоль/л     ммоль/л                           мВ

Калий       400         20           - 75

Натрий      50         440          + 55

Хлор       52         560                               - 60

Анионы      385         нет                                  -

органические

Равновесный потенциал - такое значение трансмембранной разности электрических зарядов, при котором ток ионов в клетку и из неё становится одинаковым, т.е. фактически ионы не перемещаются.

Как видно из таблицы, концентрация ионов калия внутри клетки намного больше, чем во внеклеточной жидкости, а концентрация ионов натрия и хлора, напротив, значительно больше во внеклеточной жидкости. Органические анионы представляют собой крупные молекулы, которые не проходят через клеточную мембрану.

Корректно или нет делать какие-либо выводы о мембранах клеток теплокровных животных, тем более человека, изучая нервные клетки кальмара? Сравним их гигантские аксоны, например, с мышечными клетками теплокровных (Таблица 4.2).

 Результаты измерений концентраций ионов в разных клетках животных, относящихся к разным видам, дают, разумеется и разные значения этих концентраций, но общим для всех клеток, у всех видов животных является одно: концентрация ионов калия всегда больше в клетке, а концентрация ионов натрия и хлора - во внеклеточной жидкости.

        Таблица 4.2

Концентрация некоторых ионов в мышечных клетках теплокровных в ммоль/л

  Натрий Калий  Хлор  Анионы

        органические

В клетке  12  155  4  155

Вне клетки  145  4  120  нет

Эта разница концентраций или концентрационный градиент является движущей силой для диффузии растворённых ионов в область меньшей концентрации или, в соответствии со вторым законом термодинамики, - к меньшему энергетическому уровню. Ещё раз взглянув на представленные в таблицах цифры, можно безошибочно предсказать, что катионы натрия должны диффундировать в клетку, а катионы калия - из неё.

Однако не всё так просто, поскольку надо учесть и проницаемость клеточной мембраны для различных ионов, а она изменяется в зависимости от состояния активности клетки. В покое у плазматической мембраны открыты лишь ионные каналы для калия, через которые не могут проходить другие ионы. Значит ли это, что через мембрану покоящейся клетки ионы калия могут выходить беспрепятственно?

Выходя из клетки, катионы калия уменьшают в ней количество положительных зарядов и одновременно увеличивают их количество на наружной поверхности мембраны. Остающиеся в клетке органические анионы начинают ограничивать дальнейший выход катионов калия, поскольку между анионами внутренней поверхности мембраны и катионами её наружной поверхности возникает электрическое поле и появляется электростатическое притяжение. Сама же клеточная мембрана оказывается поляризованной: на наружной её поверхности группируются положительные заряды, на внутренней - отрицательные.

Таким образом, если мембрана готова пропустить какие-либо ионы, то направление ионного тока будут определять два обстоятельства: концентрационный градиент и действие электрического поля, причём концентрационный градиент может направлять ионы в одном направлении, а электрическое поле - в другом. Когда эти две силы уравновешиваются, ток ионов практически прекращается, поскольку количество входящих в клетку ионов становится равным количеству выходящих. Это состояние называется равновесным потенциалом (Е), а его значение можно вычислить с помощью уравнения Нернста (Nernst W., 1888):

                            R T       [K]a

 Е калия =    ln     ,

                            z F         [K]i

где R - газовая постоянная, Т - абсолютная температура (310  при температуре тела), z - валентность иона (для калия = 1), F - константа Фарадея, [K ]a - концентрация ионов калия вне клетки, [K]i - концентрация ионов калия в клетке.

Если подставить в уравнение значение констант и концентрацию ионов, то равновесный потенциал мембраны аксона кальмара для ионов калия окажется равным - 75 мВ (для мышечной мембраны теплокровных - -97 мВ). Это означает, что при такой трансмембранной разности потенциалов и при таких значениях внутри- и внеклеточной концентрации ионов калия их ток из клетки становится равным току в клетку. Если трансмембранная разность потенциалов сделается меньше, то ионы калия станут выходить из клетки до тех пор, пока не восстановится значение равновесного потенциала.

У находящихся в состоянии покоя клеток глии мембрана пропускает только ионы калия, поэтому реальная трансмембранная разность потенциалов у них  совпадает с расчётной, т.е. со значением равновесного потенциала для калия - 75 мВ. Но у большинства нейронов дело обстоит иначе, поскольку их мембрана в покое пропускает не только ионы калия, но в небольшом количестве и ионы натрия и хлора. В связи с этим трансмембранная разность потенциалов оказывается несколько меньше, чем равновесный калиевый потенциал, но незначительно, так как проницаемость для ионов калия в покое намного выше, чем для ионов натрия и хлора.

Пользуясь уравнением Нернста нетрудно найти значение равновесных потенциалов для любых ионов (для натрия и хлора они приводятся в таблице 1). Равновесный потенциал для натрия равен + 55 мВ, а его концентрация во внеклеточной среде намного больше, чем в клетке; и то, и другое побуждает ионы натрия входить в клетку. Но в состоянии покоя клеточная мембрана не даёт им такой возможности: её проницаемость для ионов натрия крайне мала.

4.2. Активный транспорт

Диффузия ионов должна уменьшать концентрационный градиент, но концентрационное равновесие означало бы для клетки гибель. Не случайно она более 1/3 своих энергетических ресурсов тратит на поддержание градиентов, на сохранение ионной асимметрии. Перенос ионов через клеточную мембрану против концентрационных градиентов является активным, т.е. энергозатратным видом транспорта, его обеспечивает натрий-калиевый насос.

Это большой интегральный белок клеточной мембраны, который непрерывно выносит из клетки ионы натрия и одновременно закачивает в неё ионы калия. Этот белок обладает свойствами АТФ-азы, фермента, расщепляющего АТФ на внутренней поверхности мембраны, там же белок присоединяет три иона натрия. Освободившаяся при расщеплении молекулы АТФ энергия используется для фосфорилирования определённых участков белка-насоса, после которого меняется  конформация белка и он выносит три иона натрия из клетки, но одновременно забирает снаружи и вносит в клетку два иона калия (Рис. 4.1).

Таким образом, за один цикл работы насоса выносятся из клетки три иона натрия, вносятся в неё два иона калия, а на эту работу тратится энергия одной молекулы АТФ. Именно так поддерживается высокая концентрация калия в клетке, а натрия - во внеклеточном пространстве. Если учесть, что и натрий, и калий являются катионами, т.е. несут положительные заряды, то суммарным итогом одного цикла работы насоса для распределения электрических зарядов является удаление одного положительного заряда из клетки. В результате такой деятельности мембрана становится чуть более отрицательной изнутри и поэтому натрий-калиевый насос можно считать электрогенным.

За 1 секунду насос способен вынести из клетки около 200 ионов натрия и одновременно перенести в клетку приблизительно 130 ионов калия, а на одном квадратном микрометре мембранной поверхности может разместиться  100- 200 таких насосов. Кроме натрия и калия насос переносит в клетку против концентрационных градиентов глюкозу и аминокислоты; этот, как бы попутный транспорт, получил название: симпорт. Производительность натрий-калиевого насоса зависит от концентрации в клетке ионов натрия: чем больше она, тем быстрее работает насос. Если же концентрация ионов натрия в клетке понизится, то и насос уменьшит свою деятельность.

Наряду с натрий-калиевым насосом в клеточной мембране существуют специальные насосы для ионов кальция. Они тоже используют энергию АТФ для выноса ионов кальция из клетки, в результате создаётся значительный концентрационный градиент кальция: вне клетки его значительно больше, чем в клетке. Это заставляет ионы кальция постоянно стремиться войти в клетку, но в состоянии покоя клеточная мембрана эти ионы почти не пропускает. Однако порой мембрана раскрывает каналы для этих ионов и тогда они играют очень важную роль в освобождении медиаторов или в активации некоторых ферментов.

Таким образом, активный транспорт создаёт концентрационные и электрические градиенты, которые играют выдающуюся роль во всей жизни клетки.

4.3. Пассивный транспорт - диффузия

Создаваемые работой насосов градиенты дают ионам возможность перемещаться через мембрану от большего энергетического уровня к меньшему путём диффузии, если, конечно, есть открытые ионные каналы. Такой канал - это крупномолекулярный интегральный белок, молекула которого проходит через двойной слой мембранных липидов. В этой молекуле есть заполненная водой пора, диаметр которой не превышает 1 нм. Через такое отверстие способны пройти только ионы калия (Рис. 4.2).

Радиус иона калия - 0,133 нм, у иона натрия он даже меньше - 0, 098 нм, тем не менее, через постоянно открытые каналы может проходить лишь калий. Дело в том, что истинные размеры иона определяются толщиной его гидратной оболочки, которой в водном растворе покрываются все ионы. Молекулы воды ведут себя как диполи: электроны их атомов кислорода сильнее, чем у атомов водорода, а значит кислород несёт слабый отрицательный заряд. Именно поэтому молекулы воды притягиваются положительными зарядами катионов калия, натрия и кальция. Но, поскольку у атомов водорода в молекуле воды есть слабый положительный заряд, существует притяжение водных молекул и к анионам хлора.

При меньшем ионном радиусе электрическое поле у иона натрия сильнее, чем у калия, а потому гидратная оболочка у него толще. Она и не позволяет ионам натрия проходить через каналы, оказывающиеся доступными для прохождения одного лишь калия. Вот почему в состоянии покоя клеточной мембраны через неё происходит ток преимущественно одной разновидности ионов - калия, постоянно уходящего из клетки по концентрационному градиенту.

4.4. Управляемые каналы

Только что описанные каналы, через которые проходят ионы калия, открыты всегда: и в состоянии покоя, и при возбуждении клетки - они мало зависят от внешних условий и поэтому являются каналами пассивного типа. В противоположность этому существуют управляемые ионные каналы, большинство из которых в состоянии покоя клетки закрыты, а для того, чтобы их открыть, необходимо каким-то образом на них подействовать. Следовательно, такие каналы являются управляемыми, а в зависимости от способа управления их подразделяют на три типа:

1) потенциалзависимые;

2) хемозависимые;

3) управляемые механически.

Устройство, с помощью которого открываются или закрываются каналы, часто называют воротным механизмом или даже воротами, хотя такое сравнение не вполне корректно. Современные представления об ионных каналах сложились в связи с двумя методическими подходами к их изучению. Во-первых, это метод локальной фиксации (англ. patch clamp), позволяющий наблюдать ток ионов через одиночный канал. Эту технику изобрели в конце 70-х годов Эрвин Неер и Берт Закман (Neher E., Sakmann B.), лауреаты Нобелевской премии 1991 года. Во-вторых, пониманию свойств каналов способствовало построение их моделей на основе расшифрованного генетического кода многих канальных белков и установленной в связи с этим аминокислотной последовательностью молекул.

Каждый канал образован несколькими белковыми субъединицами (Рис. 4.3), которые представляют собой длинные цепи аминокислот, скрученных в -спираль. Форма -спирали может меняться, например, в связи с изменением трансмембранной разности потенциалов (что исключительно важно для потенциалзависимых каналов). Изменение формы -спирали приводит к перемещению аминокислот, в том числе несущих электрический заряд. В результате заряды таких аминокислот, как лизин или аргинин, могут оказаться во внутренней стенке ионного канала и сделать её гидрофильной: тогда покрытые гидратной оболочкой ионы смогут проходить через канал. Возвращение альфа-спирали к прежней форме  приводит к тому, что во внутренней стенке канала снова оказываются гидрофобные участки и поэтому ток ионов прекращается.

В образовании разных типов каналов участвуют от двух до семи субъединиц, белковая цепь каждой субъединицы несколько раз пересекает клеточную мембрану, причём каждая область пересечения выполняет определённую задачу: одни образуют стенки канала, другие служат датчиками изменений электрического поля, третьи, выступающие за наружную сторону мембраны, являются рецепторами, четвёртые объединяют канал с цитоскелетом.

Потенциалзависимые каналы открываются или закрываются в связи с определёнными изменениями мембранного потенциала. Например, натриевые каналы в состоянии покоя закрыты, но, если мембранный потенциал уменьшится до критического значения, они открываются. Если деполяризация продолжится до положительного значения мембранного потенциала (т.е. на внутренней части мембраны окажется больше положительных зарядов, чем на наружной), то каналы закроются.

Хемозависимые каналы открываются вследствие присоединения нейромедиатора к выступающей наружу гликопротеиновой рецепторной области канального белка - такой тип каналов используется в синапсах (Рис. 4.4). Механически управляемые каналы характерны для чувствительных окончаний нейронов, реагирующих на растяжение и давление. Эти каналы особым способом связаны с цитоскелетом, что и приводит их к открытию при деформации клетки.

Сам момент открытия канала - всего лишь мгновение, длящееся миллионные доли секунды. Но и в открытом состоянии каналы находятся недолго - лишь несколько миллисекунд, после чего стремительно закрываются. Однако пропускная способность открытого канала поразительна: ток ионов происходит со скоростью до 100 000 000 ионов/с, что можно сравнить только с деятельностью самых "быстрых" ферментов, как, например, карбоангидраза, катализирующая образование и дегидратацию углекислоты в эритроцитах крови.

Кроме открытого и закрытого конформационных состояний каналы могут стать инактивированными: это значит, что они закрыты, но не подчиняются, как обычно, действию механизмов управления и не открываются. Состояние инактивации наблюдается немедленно после закрытия каналов, продолжается несколько мс и контролируется особыми субъединицами или особыми регионами белковой молекулы. Во время инактивации каналов клетка перестаёт отвечать на возбуждающие её стимулы, что определяется термином рефрактерность, т.е. временная невозбудимость.

Ионные каналы имеются в мембране любой клетки организма, но в мышечных и особенно в нервных клетках их плотность намного больше, чем в клетках других тканей. В нейронах, кроме высокой плотности каналов, обнаружено и их большое разнообразие. Это не случайно, поскольку именно каналы определяют условия возникновения электрических сигналов, характер самих сигналов, скорость их проведения и т.п., что собственно и позволяет нейронам выполнять свою главную задачу: принимать, перерабатывать и передавать информацию.

4.5. Блокаторы ионных каналов

Существует довольно много веществ, способных обратимо или необратимо связываться с молекулами канальных белков и, тем самым, блокировать их, т.е. выводить из подчинения управляющим механизмам. Блокированные каналы чаще всего оказываются закрытыми, хотя в некоторых случаях фиксируется открытое положение канала.

Блокировать каналы способны многие из давно известных ядов животного или растительного происхождения. Так, например, во внутренностях некоторых сростночелюстных рыб (Tetrodontiformes) содержится тетродотоксин, блокирующий натриевые каналы. К этому отряду относится печально знаменитая рыба фугу, унёсшая жизни немалого количества гурманов, а также плавающая в водах залива Петра Великого собака-рыба, способная раздуваться и издавать при этом довольно громкие звуки. Тетродотоксин достаточно давно применяется в экспериментальной практике, связанной с исследованием мембранной проницаемости.

Натриевые каналы может блокировать и другой животный яд - батрахотоксин , который содержится в слизи некоторых южноамериканских лягушек, например, пятнистого древолаза. Этим ядом индейцы отравляли свои стрелы, хотя и не догадывались, что батрахотоксин блокирует натриевые каналы, а такая блокада не позволяет нервным клеткам возбуждаться.

Другие южноамериканские индейцы готовили отравленные стрелы с помощью другого яда, растительного - это древесный сок кураре, добываемый из некоторых видов лиан. Яд кураре избирательно блокирует хемозависимые каналы нервно-мышечных синапсов. Эти же синапсы необратимо блокирует змеиный яд альфа-бунгаротоксин, который выделяют при укусе бунгары, они же крайты - близкие родственники кобр.

Вещество искусственного происхождения - тетраэтиламмоний специфически блокирует калиевые каналы; его часто использовали в экспериментальной практике. А в медицине  применяют многие лекарственные вещества, точкой приложения которых являются ионные каналы: с помощью таких веществ можно управлять определёнными ионными каналами и тем самым влиять на активность нейронов.

4.6. Мембранный потенциал покоя

В покое на наружной стороне плазматической мембраны располагается тонкий слой положительных зарядов, а на внутренней стороне - отрицательных. Электрический заряд наружной поверхности принято считать нулевым, поэтому трансмембранная разность потенциалов или мембранный потенциал покоя  имеет отрицательное значение. В типичном для большинства нейронов случае потенциал покоя равен приблизительно -60 - -70 мВ.

Техника прямого измерения потенциала покоя была создана в конце 40-х годов ХХ века. Был изготовлен специальный измерительный электрод: тонкий стеклянный капилляр с оттянутым кончиком диаметром не более 1 мкм и заполненный проводящим электрический ток солевым раствором (3М КСl). который не изменяет внутренний заряд мембраны. В этот раствор с широкого конца капилляра вставляли металлический проводник, а тонким концом протыкали клеточную мембрану. Второй электрод представлял собой хлорированную серебряную пластинку и помещался во внешнюю среду; использовались усилитель  слабых электрических сигналов и гальванометр (Рис. 4.5). Объектом исследования был гигантский аксон кальмара, именно на нём удалось получить данные, послужившие основой для мембранной теории (Hodgkin & Huxley).

Как же возникает мембранный потенциал покоя? Прежде, чем ответить на этот вопрос, следует ещё раз напомнить, что работой натрий-калиевого насоса в клетке создаётся высокая концентрация ионов калия, а в клеточной мембране для этих ионов есть открытые каналы. Выходящие из клетки по концентрационному градиенту ионы калия увеличивают количество положительных зарядов на наружной поверхности мембраны. В клетке много крупномолекулярных органических анионов и потому изнутри мембрана оказывается заряженной отрицательно. Все остальные ионы могут проходить через покоящуюся мембрану в очень небольшом количестве, их каналы, в основном, закрыты. Следовательно, потенциал покоя обязан своим происхождением, главным образом, току ионов калия из клетки.

Это заключение достаточно просто проверить экспериментально. Если, например, искусственно повысить концентрацию ионов калия вокруг клетки, то их ток из клетки уменьшится или даже вовсе прекратится, поскольку уменьшится концентрационный градиент - движущая сила для этого тока. И тогда начнёт уменьшаться потенциал покоя, он может сделаться равным нулю, если концентрация калия по обе стороны мембраны окажется одинаковой. Есть ещё одна возможность доказать калиевую природу потенциала покоя. Если блокировать калиевые каналы тетраэтиламмонием, то ток ионов калия прекратится, а вслед за этим начнёт уменьшаться потенциал покоя.

Мембрана находящейся в покое клетки пропускает в небольшом количестве ионы натрия и хлора. Две силы гонят ионы натрия в клетку: высокая наружная концентрация и электроотрицательная внутренняя среда клетки. Даже небольшое количество вошедшего в клетку натрия приводит к деполяризации мембраны - уменьшению потенциала покоя. Ионам хлора попасть в клетку труднее, поскольку их отталкивает  электроотрицательный слой зарядов на внутренней поверхности мембраны, а значение равновесного потенциала хлора -60 мВ мало отличается от нормальной величины потенциала покоя. Связь между избирательной проницаемостью мембраны для каждого из трёх видов ионов и их концентрациями описывает уравнение Гольдмана:

 

           RT        P k [K ] a  + P na [Na ] a + P cl [Cl  ] i

 E m =   ln   

          F P k [K ] i   + P na [Na ] i  + P cl [Cl  ] a

 где Е m - значение мембранного потенциала, Р - проницаемость мембраны, зависящая от её толщины и подвижности в ней иона, a - концентрация иона снаружи, i - концентрация его изнутри, R, T и F имеют то же значение, что и в уравнении Нернста.

Из этого уравнения следует, что реальное значение потенциала покоя (Еm = - 65 мВ) является компромиссным между равновесными потенциалами калия (- 75 мВ), натрия (+ 55 мВ) и хлора (- 60 мВ). Нетрудно предсказать, что повышение проницаемости мембраны для натрия приведёт к деполяризации, а увеличение её проницаемости для хлора - к гиперполяризации.

Если принять за 1 проницаемость мембраны в покое для ионов калия, то проницаемость её для ионов натрия  составит 0,04, а для хлора - 0,45. Но при возбуждении мембраны это соотношение изменяется и на вершине пика потенциала действия составляет 1(К) : 20 (Na) : 0,45 (Cl).

4.7. Потенциал действия

Уравнение Гольдмана позволяет вычислить значение мембранного потенциала покоя, если известна концентрация ионов внутри клетки и снаружи, а также проницаемость для этих ионов. Реальная величина мембранного потенциала покоя ближе всего к значению равновесного потенциала для ионов калия, которые проходят через постоянно открытые для них каналы. Ситуация решительно изменяется при раздражении клетки, когда повышается натриевая проницаемость и появляется деполяризующий рецепторный потенциал или постсинаптический потенциал.

Потенциал действия возникает лишь при определённой величине деполяризующего сдвига, например, с -65 мВ до -55 мВ. Если деполяризация будет меньше, то потенциал действия не возникнет: такие деполяризующие сдвиги называются подпороговыми. Приведённые здесь цифры относительны, в разных клетках они могут быть меньше или больше, но всегда наименьший деполяризующий сдвиг, который вызовет появление потенциала действия, определяется, как пороговый.

Возникновение рецепторного или постсинаптического потенциалов связано со сравнительно небольшим местным повышением натриевой проницаемости мембраны. Вход ионов натрия в клетку и обусловленная этим местная деполяризация приводят к возникновению локального электрического тока. Его распространению вдоль мембраны препятствует электрическое сопротивление самой мембраны, поэтому начавшаяся в каком-нибудь месте пассивная деполяризация не может распространяться далеко - пассивные электрические ответы всегда локальны.

Но, если сумма локальных деполяризующих сдвигов всё-таки сможет деполяризовать мембрану триггерной зоны нейрона до критического уровня, до порогового значения, то произойдёт активный и максимальный ответ клетки по правилу "всё или ничего". Деполяризация до критического значения ведёт к конформационным изменениям внутренней стенки натриевых каналов и перемещению полярных аминокислот. Вследствие этого открывается пора диаметром 0,3 - 0,5 нм через которую могут пройти катионы натрия (См. рис. 4.3). Ток анионов через этот канал невозможен, поскольку его устье содержит отрицательные заряды карбоксильных групп глутаминовой кислоты, которые отталкивают отрицательные заряды анионов.

Равновесный потенциал натрия +55 мВ, а каналы для него открываются при значении мембранного потенциала -55 мВ, поэтому ионы натрия поступают в клетку с высокой скоростью: до 107 ионов/с через одиночный канал. Плотность натриевых каналов варьирует от 1 до 50 на одном квадратном микрометре. В результате этого за 0,2 - 0, 5 мс  значение мембранного потенциала из отрицательного (-55 мВ) становится положительным ( около +30 мВ), хотя и не достигает значения равновесного натриевого потенциала.

Такая стремительная деполяризация является саморегенерирующей: чем больше входит натрия в клетку  и чем больше сдвиг мембранного потенциала, тем больше открывается натриевых каналов и тогда ещё больше натрия входит в клетку:  

                                               Деполяризация

                                                                   

                         Ток натрия в клетку      Открытие натриевых каналов

    

По мере приближения величины мембранного потенциала к значению равновесного натриевого потенциала движущая сила для ионов натрия слабеет, но одновременно растёт движущая сила, заставляющая выходить из клетки ионы калия, каналы для которых постоянно открыты. Когда мембранный потенциал становится положительным, натриевые потенциалзависимые каналы закрываются, а ток калия из клетки резко увеличивается. В связи с этим происходит реполяризация, т.е. восстановление первоначального значения мембранного потенциала (иногда выходной ток калия приводит даже к кратковременной следовой гиперполяризации). Две фазы потенциала действия - деполяризация и реполяризация образуют пик или спайк потенциала действия (Рис. 4.6).

Само открытие натриевых каналов происходит необычайно быстро, в течение не более, чем 10 микросекунд (т.е. миллионных долей секунды), открытыми они остаются несколько миллисекунд, затем быстро закрываются, причём на некоторое время конформация канального белка становится такой, что его невозможно активировать, а значит и открыть каналы. Это состояние называется рефрактерностью, около 1 мс она абсолютна, а затем относительна: при абсолютной рефрактерности нельзя открыть каналы никаким действием, при относительной их нельзя активировать пороговой деполяризацией, но можно надпороговой.

Общая продолжительность рефрактерного состояния определяет максимальную частоту возбуждения нейрона. Например, если рефрактерный период продолжается 2 мс, то за 1с нейрон может возбуждаться максимум 500 раз (1 с = 1000 мс: 2мс = 500). Некоторые нейроны могут возбуждаться чаще, чем 500/с, другие - реже: в соответствии с этим первые можно назвать более лабильными, чем вторые. Проблему лабильности или функциональной подвижности клеток  в конце XIX - начале ХХ века исследовал российский физиолог Н.Е.Введенский, он же ввёл в употребление понятие о мере лабильности, как о наибольшем числе электрических осцилляций, которое может воспроизвести за секунду нерв или мышца. Так, например, нерв, по данным Введенского, способен возбуждаться до 500/с, а мышца - лишь до 200/с, т.е. нерв является более лабильным объектом, чем мышца.

4.8. Механизм проведения потенциалов действия

Чем более сложные задачи решает мозг, тем большее количество нейронов ему необходимо. Однако вся масса нейронов должна поместиться в ограниченном черепом и позвоночным каналом пространстве, а потому нервные клетки должны быть небольшими, а их отростки - достаточно тонкими. Но, как известно, чем тоньше и длиннее проводник, тем большее сопротивление он окажет распространяющемуся по нему току. Действующее напряжение в нейроне (V) не может быть больше, чем амплитуда потенциала действия, т.е приблизительно 100-120 мВ, а ток (I), согласно закону Ома, прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению: I = V/R

Из этого следует, что потенциал действия обычным для проведения электричества способом не может распространяться далеко. Очень тонкая мембрана аксона, окруженная электропроводной средой, имеет очень высокую ёмкость, что тормозит распространение электрического сигнала. Если сказать проще: тонкий цитоплазматический отросток - это очень плохой проводник. Но, несмотря на это, потенциалы действия распространяются по аксону с высокой скоростью, достигающей 100 м/с. Как это происходит?

Когда в возбуждённом участке мембраны повышается натриевая проницаемость и возникает потенциал действия, начинается электротоническое распространение положительных зарядов к невозбуждённому участку - этот процесс представляет собой круговой ток (Рис. 4.7). Такой ток деполяризует ещё не возбуждавшийся соседний участок, а когда эта деполяризация достигнет порога - возникнет потенциал действия. Теперь уже этот участок становится источником кругового тока, действующего на следующую область мембраны, теперь уже в этой области возникнет потенциал действия, все параметры которого будут стандартными для данного типа нейрона.

Вслед за повышением натриевой проницаемости в процессе формирования потенциала действия усиливается ток калия из клетки. Вместе с калием из клетки уходят положительные заряды и восстанавливается прежнее значение мембранного потенциала. При любой длине аксона амплитуда потенциалов действия повсюду оказывается неизменной, поскольку в каждом отдельном участке аксона они формируется фактически заново. В физиологическом смысле это важно потому, что постоянство сигнала означает передачу информации по аксону без искажений.

В миелинизированных аксонах  круговой ток распространяется к соседнему перехвату, где и возникает потенциал действия. Плотность натриевых каналов в перехватах Ранвье гораздо выше, чем в обычной немиелинизированной мембране и пришедший сюда электротонически круговой ток легко деполяризует перехват до порогового значения. Появившийся вследствие этого потенциал действия служит источником кругового тока для следующего перехвата.

Проведение возбуждения в нерве или мышце можно зарегистрировать с помощью внеклеточных электродов, приложенных к двум различным точкам их поверхности и соединённым с регистрирующей аппаратурой. При распространении потенциала действия мембрана поочерёдно деполяризуется сначала под ближним к источнику возбуждения электродом, а затем – под дальним. И в том, и в другом случае между электродами регистрируется разность потенциалов, поскольку один из них будет находиться на деполяризованном, а значит электроотрицательном снаружи мембраны участке, а второй – в интактной электроположительной точке, где возбуждение ещё не началось, либо уже закончилось.

Регистрация проходящих по мембране потенциалов действия с помощью двух электродов называется биполярной. При таком способе регистрируются две фазы потенциала действия: положительная и отрицательная. Если расположенный под одним из электродов участок сделать невозбудимым (для этого можно подействовать на него каким-либо анестезирующим веществом, например, новокаином), то останется только одна фаза потенциала действия. Такое отведение называется униполярным (или монополярным).

При некоторых аутоиммунных и вирусных заболеваниях миелиновая оболочка разрушается, что приводит к многочисленным неврологическим нарушениям, вплоть до полной утраты некоторых функций; при этом может нарушаться и эмоциональная деятельность, и интеллект. Примером демиелинизирующих заболеваний может служить рассеянный склероз.

Резюме

Возникновение электрических сигналов связано со свойствами клеточной мембраны. Мембранные насосы создают концентрационные градиенты ионов. Открытые в покое ионные каналы для калия позволяют ему выходить из клетки и, тем самым, создавать мембранный потенциал покоя, близкий к равновесному потенциалу для калия. В случае его уменьшения до порогового значения открываются потенциалзависимые каналы для натрия и происходит саморегенерирующая деполяризация, значение мембранного потенциала становится положительным, Это вызывает закрытие натриевых каналов, которые на время инактивируются. Выходящий ток ионов калия восстанавливает прежнее значение мембранного потенциала. Возникновение потенциала действия вызывает появление кругового электрического тока, который деполяризует соседний участок мембраны до порогового значения. В связи с этим потенциал действия распространяется по аксону без уменьшения амплитуды.

Вопросы для самоконтроля

 

46. Концентрация каких ионов в клетке значительно больше, чем во внеклеточной жидкости?

А. Натрия; Б. Калия; В. Кальция; Г. Хлора; Д. Магния.

47. Какие ионные каналы при физиологическом покое клетки открыты?

А. Для всех катионов; Б. Для анионов; В. Для натрия; Г. Для калия; В. Для кальция.

48. Какова величина равновесного потенциала мембраны гигантского аксона кальмара для ионов калия?

А. +55 мВ; Б. +25-30 мВ; В. = 0; Г. -60 мВ; Д. -75 мВ.

49. Почему натрий-калиевый насос считается электрогенным?

А. Он расходует энергию АТФ; Б. Он создаёт концентрационный градиент калия; В. Он выносит из клетки натрий; Г. За один цикл он удаляет из клетки положительный заряд; Д. Он обеспечивает симпорт глюкозы и аминокислот.

50. Вхождению в клетку каких ионов препятствует электрическое поле между внутренней и наружной поверхностями мембраны?

А. Калия; Б. Натрия; В. Хлора; Г. Кальция; Д. Всех катионов.

51. Через каналы какого типа диффундируют ионы калия, когда клетка находится в состоянии физиологического покоя?

А. Потенциалзависимые; Б. Хемозависимые; В. Потенциалзависимые и хемозависимые; Г. Управляемые механически; Д. Пассивные.

52. Что из перечисленного ниже характерно для состояния рефрактерности?

А. Активированное состояние потенциалзависимых каналов; Б. Инактивированное состояние потенциалзависимых каналов; В. Открытое состояние потенциалзависимых каналов; Г. Закрытое состояние потенциалзависимых каналов; Д. Увеличение пропускной способности потенциалзависимых каналов.

53. Какое из перечисленных ниже веществ является блокатором ионных каналов для калия?

А. Тетраэтиламмоний; Б. Тетродотоксин; В. Батрахотоксин; Г. Кураре; Д. -Бунгаротоксин.

54. Каким должен быть наименьший деполяризующий сдвиг, если мембранный потенциал равен -69 мВ, а критический уровень деполяризации - -56 мВ?

А. 6 мВ; Б. 9 мВ; В. 11 мВ; Г. 13 мВ; Д. 15 мВ.

55. Если рефрактерный период нейрона продолжается 3 мс, то с какой максимальной частотой он может возбуждаться?

А. 555 Гц; Б. 444 Гц; В. 333 Гц; Г. 222 Гц; Д. 111 Гц.

56. Для какого перемещения ионов через клеточную мембрану, находящейся в покое клетки, необходима энергия?

А. Кальция в клетку; Б. Натрия в клетку; В. Хлора в клетку; Г. Калия из клетки; Д. Кальция из клетки.

57. Какое перемещение ионов происходит только путём диффузии?

А. Натрия из клетки; Б. Калия из клетки; В. Кальция из клетки; Г. Калия в клетку; Д. Глюкозы в клетку.

58. Что заставляет закрыться открывающиеся при возбуждении потенциалзависимые каналы для натрия?

А. Процесс реполяризации; Б. Восстановление исходного значения мембранного потенциала; В. Установление положительного значения мембранного потенциала; Г. Достижение критического уровня деполяризации; Д. Возникновение гиперполяризации.

59. К каким последствиям должно привести повышение мембранной проницаемости для хлора при реальном значении мембранного потенциала -55 мВ?

А. Уменьшение мембранного потенциала; Б. Гиперполяризация; В. Деполяризация; Г. Значение мембранного потенциала не изменится; Д. Возникнет потенциал действия.

60. Каждый потенциал действия образуют две, последовательно сменяющие друг друга фазы - это:

А. Гиперполяризация-деполяризация; Б. Деполяризация-реполяризация; В. Гиперполяризация-реполяризация; Г. Реполяризация- деполяризация; Д. Реполяризация - восстановление первоначального значения мембранного потенциала.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

65999. Глобализация финансов 37.71 KB
  Глобализация - это процесс всевозрастающего воздействия различных факторов международного значения (например, тесных экономических и политических связей, культурного и информационного обмена) на социальную действительность в отдельных странах.
66000. Региональные финансы омской области 46.5 KB
  Одной из важнейших составных частей финансовой системы государства являются региональные финансы которые охватывают региональные бюджеты административно-территориальных единиц и финансы субъектов хозяйствования используемые для удовлетворения потребностей регионов.
66001. Казначейство: функции, цели и механизм функционирования 20.59 KB
  В России переход к казначейскому исполнению бюджета начался в 1992 г. исполнение бюджета в нашей стране было банковским. Чем отличаются эти две формы исполнения бюджета При банковском исполнении бюджета средства...
66002. Золотовалютный резерв РФ 2009-2011 146.67 KB
  Золотовалютные резервы Российской Федерации представляют собой высоколиквидные финансовые активы находящиеся в распоряжении Банка России и Минфина России. Управление резервами Банк России осуществляет в соответствии с действующим...
66003. Организация экономического сотрудничества и развития (ОЭСР) 24.2 KB
  ОЭСР была образована в 1961 году по инициативе США на базе Организации европейского экономического сотрудничества которая координировала американскую и канадскую помощь пострадавшим от Второй мировой войны европейским странам в рамках плана Маршалла.
66005. Европейский банк реконструкции и развития, Европейский инвестиционный банк, Европейский центральный банк, Европейская экономическая комиссия Организации Объединенных Наций, Европейская ассоциация свободной торговли, Европейское экономическое пространство 189.5 KB
  О ЕБРР Европейский банк реконструкции и развития является международной финансовой организацией которая финансирует проекты в 29 странах от Центральной Европы до Центральной Азии. для стран Центральной и Юго-Восточной Европы а также Восточной Европы и Кавказа указав что дальнейшее ухудшение...
66006. Понятие, сущность, возможности СЭЗ 30.02 KB
  Такие зоны создаются для решения внешнеторговых общеэкономических социальных и научно-технических проблем. По оценкам западных специалистов к 2010 году через различные свободные экономические зоны будет проходить до 30 мирового товарооборота.
66007. Бюжетная политика 13.79 KB
  От качества федерального бюджета заложенных в него параметров зависят и уровень социальной защиты граждан и инвестиционные возможности государства и степень влияния России на международной арене и даже предпринимательская активность граждан.