биофизика

субсинаптической мембраны. Третьей её особенностью является присутствие ферментов,

расщепляющих комплекс медиатора с мембранным рецептором или сам медиатор.

При взаимодействии медиатора с мембранным рецептором изменяется конформация рецепторных молекул и связанных с ними других компонентов субсинаптической мембраны, включая потенциалнезависимые (химиочувствительные) ионные каналы. Связь между рецепторами и каналами осуществляют, как правило, внутриклеточные посредники (вторичные мессенджеры). Если в результате этого открываются натриевые каналы, то возникает входящий ток катионов, поскольку

[Na e ] [Na i ] , и развивается градуальная деполяризация субсинаптической мембраны. При повышении проницаемости для К+ (при открывании калиевых каналов) мембрана гиперполяризуется, так как [Ki ] [Ke ]. В силу невозбудимости субсинаптической мембраны её де- и гиперполяризационные реакции на медиатор градуальны (их амплитуда прямо пропорциональна дозе медиатора). Деполяризация при определённых условиях, о которых будет сказано ниже, обеспечивает передачу возбуждения через синапс. Гиперполяризация, напротив, затрудняет синаптическую передачу, то есть вызывает торможение постсинаптической деятельности (проведения нервных импульсов, мышечного сокращения, секреции и т. д.). Поэтому все синапсы с химической передачей подразделяют на две группы: возбуждающие и тормозные. В первых из них медиатор вызывает деполяризацию постсинаптической мембраны, во вторых – гиперполяризацию.

При деполяризации субсинаптической мембраны на ней возникает возбуждающий постсинаптическии потенциал (ВПСП). Он создается за счёт входящего тока Na+ через потенциалнезависимые натриевые каналы. В некоторых синапсах такие каналы образованы белками самих мембранных рецепторов. Это показано на примере холинорецепторов, присутствующих в синапсах, где медиатором служит ацетилхолин. Адсорбция ацетилхолина на холинорецепторе, приводящая к возникновению их комплекса, вызывает конформационную перестройку рецепторных молекул, вследствие чего внутри них открывается пора, через которую диффундируют ионы. В других синапсах, где рецепторные молекулы не обладают вторичной структурой типа -спирали (с полостью внутри себя), изменения конформации белков рецепторов, происходящие под действием медиатора, вызывают механохимический процесс в соседних с рецептором молекулах, которыми образованы ионные каналы. В передаче сигнала от рецептора к каналу участвуют внутриклеточные сигнальные системы. Нередко эту роль играет система

71

цАМФ. Так медиатор открывает ионные каналы и обеспечивает ток ионов через субсинаптическую мембрану.

В большинстве синапсов поток ионов сквозь каналы, открывшиеся в субсинаптической мембране под влиянием медиатора, продолжается в течение 1 мс. За это время комплекс медиатора с рецептором разрушается специфическим ферментом, что приводит к закрытию ионных каналов. Ионная проницаемость субсинаптической мембраны резко падает, входящий ионный ток прекращается, и ВПСП исчезает.

Субсинаптическая мембрана не может генерировать ПД, но ВПСП распространяется с декрементом на соседние с нею возбудимые участки постсинаптической мембраны, деполяризуя их. Если ВПСП имеет такую амплитуду, что даже при декременте доводит уровень ПП возбудимого участка постсинаптической мембраны до КМП (это происходит когда остаточный потенциал от ВПСП – Vx ≥ Vп = |ПП| – |КМП|), возникает ПД. Он распространяется без декремента по всей клетке, которой принадлежит данная постсинаптическая мембрана. В нейроне ПД распространяются по аксолемме до следующего нейрона, на котором его аксон образует следующий синапс, чтобы вызвать там новую синаптическую передачу. В мышечном волокне ПД вызывают сокращение.

Вся последовательность процессов, обеспечивающих синаптическую передачу с участием медиаторов, занимает большее время по сравнению с проведением возбуждения по непрерывной возбудимой мембране и через электрический синапс. Это время получило название синаптической задержки. Она занимает 0,2 – 0,3 мс у млекопитающих и 0,3 – 1,0 мс у пойкилотермных животных.

На субсинаптической мембране тормозных синапсов возникает не ВПСП, а ТПСП – тормозный постсинаптический потенциал. Он представляет собой зеркальное отражение ВПСП, то есть гиперполяризацию мембраны. Гиперполяризационный сдвиг мембранного потенциала распространяется с декрементом на соседние участки постсинаптической мембраны и понижает их возбудимость (подобно анэлектротону). Такое влияние называют тормозным, поскольку для возбуждения гиперполяризованной клетки требуется более сильный стимул, чем при обычной поляризации (исходном уровне ПП), а естественные (адекватные) раздражители оказываются не в состоянии её возбудить.

72

Рис. 3.20. Цепи событий в возбуждающих и тормозных синапсах можно представить в виде схемы, в которой М – медиаторы, R – рецепторы субсинаптических мембран.

Рис. 3.20. Цепи событий в возбуждающих и тормозных синапсах

Одни и те же медиаторы в разных субсинаптических мембранах могут вызвать образование как ВПСП, так и ТПСП, но постсинаптические мембраны определённой клетки при взаимодействии с данным медиатором дают всегда однозначный эффект – либо деполяризацию, либо гиперполяризацию. Например, ацетилхолин возбуждает скелетные мышцы, органы желудочно-кишечного тракта, но тормозит деятельность миокарда и гладкомышечных элементов стенок кровеносных сосудов.

С одной клеткой могут контактировать пресинаптические структуры, выделяющие разные медиаторы. Некоторые из них деполяризуют, а другие – гиперполяризуют плазмолемму одной и той же клетки (например, нейрона). Результирующий эффект определяется алгебраической суммой сдвигов мембранного потенциала, вызываемых возбуждающими и тормозными синапсами в том месте нейрона, где генерируется ПД (в аксонном холмике). Именно такое суммирование имеют в виду, когда называют нервную клетку интегрирующим устройством. На теле нейрона присутствует несколько тысяч

73

синапсов (например, на клетке Пуркине мозжечка их число превосходит 3 108). Среди них встречаются и возбуждающие, и тормозные синапсы. Суммируя многочисленные ВПСП и ТПСП, нейрон приходит либо в возбуждённое, либо в тормозное состояние. В первом случае он проводит нервные импульсы, во втором – останавливает (прерывает) реакции, протекающие с его участием. Такова основа сложнейших механизмов деятельности мозга.

Нервно-мышечная передача – переход возбуждения с нерва на мышцу, следствием чего является сокращение, также подчиняется общим закономерностям синаптической передачи. Синапс между аксоном и мышечным волокном называется моторной концевой пластинкой. Во всех скелетных мышцах медиатором служит ацетилхолин. Он сосредоточен внутри синаптических пузырьков диаметром 30 – 60 нм. При деполяризации пресинаптической мембраны под действием ПД, поступающих сюда из центральной нервной системы, синаптические пузырьки перемещаются к щели и выходят в неё по механизму пиноцитоза (экзоцитоза). Достигнув субсинаптической мембраны, ацетилхолин взаимодействует с её холинорецепторами.

АХ

АХЭ ХРХР

Л

Канал Рис. 3.21. Схема макромолекулярной организации субсинаптической мембраны

холинэргического синапса – по де Робертису: Обозначения: АХ – ацетилхомин; ХР – холинорецептор (при взаимодействии с АХ испытывает изменение конформации, приводящее к образованию в нём ионного канала); АХЭ – ацетилхолинэстереза; Л – бимолекулярный липидный слой биомембраны

Холинорецептор мембраны мышечного волокна (сарколеммы) выделен, очищен и охарактеризован биохимически, фармакологически, иммунологически. На каждый 1 мкм2 субсинаптической мембраны приходится около 104 холинорецепторов. Каждый из них

74

образован девятью или десятью белковыми субъединицами и представляет собой круглую конструкцию наподобие розетки со средним диаметром 8 – 9 нм, длиной 9 – 12 нм, насквозь пронизывающую субсинаптическую мембрану. Комплексы макромолекул образуют в этой мембране упорядоченную решётчатую структуру, в которой постоянная решётки составляет 9 – 10 нм. Около 50% частиц, входящих в состав субсинаптической мембраны, имеют диаметр 8 – 9 нм (как и холинорецептор), что позволяет предположительно считать их холинорецепторами.

Действие некоторых ядов на организм человека обусловлено их конкуренцией с ацетилхолином за холинорецептор. Они связывают холинорецепторы и не позволяют им образовывать комплексы с ацетилхолином, нарушая тем самым синаптическую передачу возбуждения с нерва на мышцу. Так действуют кураре и курареподобные препараты, применяемые в медицине для расслабления скелетных мышц. Эти вещества связывают холинорецепторы временно, благодаря чему вызывают обратимый эффект, что позволяет использовать их в качестве фармакологических агентов. Существуют конкуренты ацетилхолина, связывающие холинорецепторы необратимо. Таков -бунгаротоксин (полипептид с молекулярной массой 8 кДа, содержащийся в змеином яде, выделенном от тайваньского ленточного крайта). Он относится к группе сильнейших ядов, ничтожные дозы которых смертельны.

Ацетилхолин поступает в синаптическую щель моторной концевой пластинки даже в отсутствие нервных импульсов на пресинаптической мембране, но при этом его концентрация около холинорецепторов не повышается более 10-18 моль л-1. Комплекс медиатора с мембранным рецептором образуется, вследствие чего возникают

миниатюрные потенциалы концевой пластинки, но они имеют амплитуду около 0,4 мВ и быстро угасают. Мышца не реагирует на них сократительной реакцией. Поступление нервных импульсов к синапсу меняет дело: ацетилхолин начинает выходить в синаптическую щель гораздо интенсивнее и частота выделения порций медиатора повышается в тысячу раз. Каждый нервный импульс вызывает выброс нескольких миллионов молекул ацетилхолина, причём не по отдельности, а в виде “пакетов”, включающих много его молекул, которые заключены в одной везикуле (пузырьке). Для возбуждения мышечного волокна достаточно 10-15 – 10-16 моль◌ּл-1 ацетилхолина.

Взаимодействие ацетилхолина с холинорецептором вызывает деполяризацию субсинаптической мембраны. Освобождение содержимого одного ацетилхолинового пузырька обусловливает открытие двух тысяч ионных каналов в ней. Через каждый канал

75

за время его существования в открытом состоянии (3 с) внутрь мышечного волокна проникает 1,2 104 ионов натрия. С натриевым током связана деполяризация субсинаптической мембраны, называемая потенциалом концевой пластинки (ПКП). Он аналогичен описанному выше ВПСП и возникает примерно через 1 мс от начала интенсивного выброса ацетилхолина пресинаптической мембраной. ПКП градуален – его амплитуда зависит от темпа поступления медиатора к холинорецепторам.

По субсинаптической мембране ПКП распространяется с декрементом, но даже в нескольких миллиметрах от места своего возникновения он способен вызвать возбуждение возбудимого участка постсинаптическои мембраны мышечного волокна. Там возникают потенциалы действия, распространяющиеся по сарколемме и обеспечивающие начало сократительного процесса.

ПКП существует до тех пор, пока не будет полностью гидролизован ацетилхолин в субсинаптической мембране. Для его инактивации там присутствует специальный фермент – ацетилхолинэстераза. Без неё невозможна нормальная мышечная деятельность. В естественных условиях к мышечному волокну поступают не отдельные нервные импульсы, а серии их, причём оно должно реагировать на каждый импульс в серии. Однако сарколемма, деполяризованная предыдущей порцией ацетилхолина, становится нечувствительной к следующей порции. Чтобы нервные импульсы, поступающие чередой к мышце из мозга, могли осуществлять возбуждающее действие, необходимо удалить предшествующую порцию ацетилхолина к моменту прихода каждого следующего импульса. Это делает ацетилхолинэстераза. При угнетении её активности синаптическая передача, осуществляемая с участием ацетилхолина, резко нарушается. Ингибиторами этого фермента служат фосфорорганические соединения (ФОС) (некоторые из них относятся к боевым отравляющим веществам – табун, зарин, зоман и другие). Важно отметить, что они прежде всего парализуют нервную деятельность, так как холинергическая передача (синаптическая передача с участием ацетилхолина в качестве медиатора) свойственна не только моторной концевой пластинке, но и многим синапсам в центральной и вегетативной нервной системе.

Цепь событий, происходящих в мышце при поступлении к ней управляющего сигнала (нервных импульсов) из мозга, можно представить в виде схемы: нервный импульс деполяризация пресинаптической мембраны открытие в ней кальциевых каналов ускорение экзоцитоза ацетилхолина из пресинаптической структуры взаимодействие его с холинорецептором субсинаптической мембраны открытие

76

потенциалнезависимых ионных каналов повышение проницаемости субсинаптической мембраны для ионов возникновение ПКП его электротоническое распространение (с декрементом) по субсинаптической мембране деполяризация внесинаптических участков сарколеммы открытие в ней потенциалзависимых ионных каналов генерация ПД (мышечного импульса) распространение мышечного импульса по сарколемме активация сократительных элементов (миофибрилл) мышечное сокращение.

77

Тема 4. Теплообразование в организме животных

Теплообразование у теплокровных животных

Известно, что в организме человека и многих животных поддерживается постоянная температура тела, не изменяющаяся при довольно резких изменениях внешних условий. Это постоянство температуры обеспечивает необходимую скорость обменных процессов и позволяет животному существовать в неблагоприятных условиях внешней среды. Теплообразование зависит от внешней температуры, вида животного (табл. 2), размеров, возраста, пола, питания, активности желез внутренней секреции, степени акклиматизации и других факторов.

Тепловое поле в организме имеет сложную конфигурацию и медленно меняется во времени.

Таблица 4.1. Места теплообразования для человека в процентном соотношении

Места измерения температуры ядра тела

1.Подмышечная впадина – t оболочки.

2.Ротовая полость – непосредственно t ядра (испарение).

3.Прямая кишка (ректально).

4.Влагалище.

5.Свежая моча (наилучший способ).

Условия передачи тепла из организма в окружающую среду

Основной переносчик тепла – кровь. Передача тепла внутри организма осуществляется, в первую очередь, путем конвекции, обеспечиваемой кровообращением, так как теплопроводность тканей организма весьма мала (см. табл.). В окружающую среду тепло передается за счет теплопроводности (в наименьшей степени), излучения (примерно 60% удаляемого тепла), испарения (до 25% теплоотвода) или конвекции (до 15%).

Рассмотрим более подробна названные выше механизмы отвода тепла из организма в окружающую среду.

Теплопроводность

Q = -K ( T/ x) S t

где: T/ x – градиент температур, S – площадь соприкосновения поверхностей, t

– временной интервал, K – коэффициент теплопроводности, определяющий количество тепла, передаваемую через площадку в 1 м2 в единицу времени на расстояние в 1 м при разности температур в 1 С.

79

Таблица 4.3. Коэффициенты теплопроводности различных тканей организма

Излучение

Q = (T14 – T24)

где: - постоянная излучения, T1 – температура организма ( K), T2 – температура окружающей среды ( K), - коэффициент пропорциональности, учитывающий отличие свойств поверхности организма от свойств абсолютно черного тела ( а.ч.т.=0). Для видимого спектра излучения (400-700 нм) белого человека=0,55 – 0,7; черного человека=0,8 – 0,85.

Если учесть, что температура тела человека составляет 37 С, то тепловое излучение возникает в ближней инфракрасной области. Как излучатель тело человека соответствует абсолюно черному телу, нагретому до 300 С.

Испарение

Q = (P1 – P2)

где: P1 – давление паров воды на поверхности кожи, P2 – давление паров воды в окружающем воздухе, - коэффициент испарения.

Коэффициент испарения зависит от давления воздуха, скорости его движения и кривизны верхней поверхности тела.

При отрицательных факторах внешней среды, например при значительных отрицательных температурах (человек способен существовать при -50 С), процесс теплопередачи происходит только путем испарения.

80