2 курс / Нормальная физиология / Методичка по физиологии

их возбуждения, под действием раздражителя пороговой или надпороговой силы.

Рецепторный и генераторный потенциалы (РП, ГП) – это изменение мембранного потенциала первичночувствующих и вторичночувствующих рецепторных клеток во время их возбуждения.

Возбуждающий постсинаптический потенциал (ВПСП) и тормозной постсинаптический потенциал (ТПСП) – это изменение мембранного потенциала постсинаптической мембраны при передаче возбуждающего (ВПСП) или тормозного (ТПСП) воздействия в синапсе. Деполяризация постсинаптической мембраны соответствует ВПСП, а гиперполяризация – ТПСП. Частным случаем возбуждающего постсинаптического потенциала является потенциал концевой пластинки (ПКП), который регистрируется при передаче возбуждения в нервномышечном синапсе.

Вызванный потенциал - это потенциал действия нейрона, возникающий в ответ на возбуждение рецептора от которого информация идет к этому нейрону.

6. Современные представления о механизмах возникновения биопотенциалов.

6.1. Биологические мембраны, их строение и функции.

Биологические мембраны представляют собой функционально активные, высокоорганизованные и упорядоченные структуры, предназначенные к приему и трансформации воздействий внутренней и внешней сред. Структурной основой мембраны является двойной слой фосфолипидов, в который встроены мембранные белки. Последние осуществляют множество функций – рецепцию и транспорт веществ, ферментативную, узнавание «свой-чужой» в иммунных реакциях и другие. Поверхность мембраны покрыта слоем гликозаминогликанов – гликокаликсом, обеспечивающем межклеточные взаимодействия.

Липиды. Составляют около 45% массы мембраны. Характерным является то, что ионогенные группы молекул образуют гидрофильную головку, а углеводородные жирнокислые хвосты предают им гидрофобность. Гидрофильные головки направлены к водным фазам – наружу (межклеточная жидкость) и внутрь (цитоплазма) клетки. Гидрофобными хвостами оба слоя липидов направлены друг к другу, в результате чего в большинстве мембран липиды располагаются в два слоя. Липиды не случайно стали основами всех клеточных мембран. Находясь в водной среде, они обладают свойством самоорганизовываться: каждая молекула связывается с другими, что обеспечивает образование тонкой пленки.

Белки. Снаружи и изнутри к липидам примыкают два белковых слоя. На долю белков приходится около 55% массы мембран. Но в отличие от

21

липидов белки не везде образуют сплошные слои. Белки подразделяются на интегральные и периферические. Интегральные белки пронизывают мембрану насквозь, порой выходя относительно далеко из липидов. Периферические белки встроены на различную глубину между липидами. Они адсорбированы на поверхности мембраны и связаны с нею преимущественно электростатическими силами, т.е., связаны с мембраной менее тесно, чем липиды. В результате их плотность на мембране может изменяться, а значит, может меняться активность функций, которые они выполняют. Время жизни белков от 2 до 5 дней. Поэтому в клетке идет постоянно синтез белков мембраны на полисомах, находящихся вблизи нее. При изменении интенсивности процесса самообновления функциональная активность белков также меняется.

Холестерин. В клеточных мембранах распределен между молекулами фосфолипидов. Стероидная структура холестерина не позволяет ему пронизывать всю толщину мембраны. Холестерин при физиологических температурах уменьшает текучесть мембраны, но при более низких температурах повышает ее, обеспечивая нормальное функционирование мембраны.

Углеводы. Они связаны с наружными участками молекул мембранных белков и липидов, образуя гликопротеины и гликолипиды. Образующийся на внешней поверхности мембраны слой углеводов называется гликокаликсом. Гликокаликс, заряженный отрицательно, выполняет несколько важных функций: связывает внеклеточный Са2+, стабилизируя мембранные структуры, и служит матрицей для прикрепления других клеток.

Мембраны в клетках выполняют следующие функции:

-организующую (создают соответствующую структуру самой клетки и

ееорганоидов);

-изолирующую (обеспечивают преграду на пути веществ, стремящихся поступить или покинуть структуру);

-создающая градиенты (различия концентрации многих соединений между соответствующей структурой и окружающей средой);

-регулирующую активность процессов, протекающих в каждом структурном образовании, передавая внешние сигналы;

-определяют иммунную специфичность клетки.

6.2.Ионная асимметрия между наружной и внутренней средами

клетки.

Клеточная мембрана обладает свойством полупроницаемости, т.е., одни вещества через них проходят, а другие – нет. В результате те или иные соединения могут накапливаться с какой-либо стороны от мембраны, что создает концентрационные градиенты. Так, в клетке и вне

ее существенно различается содержание большинство ионов,

22

участвующих в выполнении многих физиологических процессов. Как в плазме крови, так и в клетках катионы и анионы находятся в равновесной концентрации, что обеспечивает электронейтральность жидких сред (правило Гэмбла). Поддержание ионной асимметрии (ионного гетерогенитета) необходимо для поддержания МПП и генерации ПД. Для поддержания ионной асимметрии служат ионные насосы.

6.3. Ионные каналы, их классификация и роль.

Ионный канал – это специфический интегральный белок – переносчик, обеспечивающий транспорт ионов через мембрану клетки.

Классификация ионных каналов:

-каналы утечки (пассивный транспорт – облегченная диффузия);

-селективные каналы (пассивный транспорт – облегченная диффузия);

-каналы насосы (активны транспорт).

Каналы утечки: обладают

-низкой селективностью (пропускают сразу несколько типов ионов),

-низкой пропускной способностью,

-всегда открыты (не имеют ворот – неуправляемые).

Пример: Na+/K+ канал утечки – обеспечивает перемещение ионов K+ из клетки в большей степени, чем ионов Na+ в клетку. Роль – в основном участвует в создании поляризации мембраны, характерной для состояния физиологического покоя возбудимых клеток.

Селективные каналы: обладают

–высокой селективностью (пропускают один тип ионов),

–высокой пропускной способностью,

–не всегда открыты (имеют ворота – управляемые). Состоит из трех частей:

1- водная пора, выстланная гидрофильными группами.

2- селективный фильтр, осуществляет разделение ионов. Селективность обеспечивается диаметром фильтра канала и зарядом внутренней поверхности канала.

3- ворота, обеспечивают управление состоянием канала (закрыт, активирован, инактивирован). Большинство каналов имеют одностворчатые ворота (например, селективные К+ каналы), т.е. могут быть в двух состояниях: закрыт – активирован. Натриевые имеют двухстворчатые ворота (активационная (m) и инактивационная (h) створки), т.е. могут быть в трех состояниях: закрыт, активирован, инактивирован. По механизму управления воротами каналы могут быть:

23

–потенциалуправляемые (потенциалзависимые) – рядом с каналом имеется электрический сенсор, который в зависимости от величины мембранного потенциала либо открывает ворота каналов, либо держит их закрытыми;

–хемоуправляемые (рецепторуправляемые, лигандзависимые) - рядом с каналом имеется молекулярный рецептор, при взаимодействии которого с медиатором (лигандом) происходит открытие ворот канала;

–механоуправляемые – их проницаемость меняется под влиянием механической силы прилагаемой к мембране (происходит растяжение

мембраны и открытие канала).

Натриевые каналы (потенциалзависимые). Имеют ворота двух типов – активационные (m ворота) и инактивационные (h ворота), положение створок воротного механизма этих каналов управляется электрическим сенсором, который взаимодействует с изменяющимся зарядом мембраны. В условиях покоя активационные ворота закрыты, но они готовы раскрыться в любой момент, инактивационные открыты. При развитии ПД активационные ворота открываются (канал активируется) и увеличивается поток ионов Na+ в клетку. Однако, спустя некоторое время (например, через 1-2 мс, как это наблюдается в нейроне) закрываются инактивационные ворота, т.е. происходит инактивация Na+ каналов. Следствие – снижение (почти до 0) входящего в клетку потока Na+. Некоторое время спустя закрываются активационные ворота, открываются инактивационные, и канал готов к новому циклу. Состояние канала меняется в строгой последовательности: закрыт – активирован – инактивирован – закрыт. Скорость восстановления проницаемости Na+ каналов определяет лабильность возбудимых клеток, т.е. их способность к ритмической активности. Чем выше скорость восстановления, тем выше лабильность. Na+ каналы обеспечивают начальный период ПД – его фазу деполяризации. Na+ каналы блокируются ядом тетродотоксином - небелковый яд естественного происхождения нейропаралитического действия (например, яд рыбы фуга).

Калиевые каналы. Имеется 5 видов каналов. Наиболее распространенные это потенциалчувствительные и кальций-зависимые. В условиях покоя мембрана в основном проницаема для ионов калия, которые перемещаются через каналы утечки по градиенту концентрации из клетки. При возбуждении клеток, т.е. при деполяризации мембраны активируются потенциалзависимые К+ каналы и проницаемость мембраны для ионов К+ дополнительно возрастает, однако, этот рост происходит не сразу, а спустя небольшой промежуток времени (например, в нейронах спустя 3-5 мс). Это связано с тем, что К+ каналы открываются медленно и достигают максимального открытия после того, как натриевые каналы почти полностью инактивировались. Сразу после

24

открытия калиевые каналы остаются в открытом состоянии во время всего периода поддержания положительного уровня мембранного потенциала и не закрываются до тех пор, пока мембранный потенциал не вернется к своему отрицательному значению. Эти каналы обеспечивают поздний выходящий К+ ионный ток (т.е. фазу реполяризации ПД). Таким образом, К+ потенциалзависимые каналы участвуют в формировании ПД, обеспечивают процесс реполяризации, т.е. восстановление мембранного потенциала. К+ каналы блокируются ионами бария и тетраэтиламмонием.

Каналы насосы (ионные помпы, АТФ-азные системы).

-Обеспечивают транспорт ионов против концентрационного (и электрического) градиента;

-Используют энергию АТФ (активный транспорт);

-Переносчик ионов мембранная АТФ-аза.

Пример, Na+/K+ насос. Транспортирует 3 иона Na+ из клетки и 2 иона K+ в клетку. Роль: поддерживает ионную асимметрию, т.е. создает условия для диффузии, частично электрогенен (накапливает «+» заряды на наружной поверхности мембраны).

6.4. Виды транспорта ионов через мембраны, их роль.

Мембранный транспорт веществ – это переход вещества из внеклеточной во внутриклеточную среду, либо, наоборот, из внутриклеточной во внеклеточную. Кроме того, различают транспорт веществ из цитоплазмы во внутриклеточные отсеки или, наоборот, из отсеков в цитоплазму (например, выход ионов Са2+ из терминальных цистерн саркоплазматического ретикулума в саркоплазму, происходящий в мышечном волокне).

Общие принципы транспорта веществ через плазматическую мембрану:

1.Гидрофобные вещества хорошо проходят через плазматические мембраны. Их транспорт определяется преимущественно наличием и направленностью градиента концентрации – вещество движется согласно законам термодинамики из области его высокой концентрации в область, где концентрация этого вещества ниже.

2.Гидрофильные вещества не могут свободно проходить через плазматические мембраны, даже если они имеют небольшие размеры. Для их транспорта необходимы либо специальные механизмы, в основе которых лежит изменение формы клетки (эндоцитоз, экзоцитоз), либо специализированные транспортные белки.

3.Если перенос вещества происходит с участием транспортной частицы (переносчика), то в этом случае возможно два варианта. Первый вариант – перенос по градиенту концентрации. Такой вид транспорта не требует для своей реализации в данный момент времени затраты энергии

25

(она затрачивается ранее, при создании такого градиента); поэтому его условно называют пассивным. Второй вариант – перенос веществ против градиента концентрации. В этом случае необходима затрата свободной энергии (используется энергия, которая освобождается при гидролизе АТФ, т.е. в результате диссоциации этой молекулы на АДФ и неорганический фосфат). Такой вид транспорта получил название активный транспорт.

4. Процесс транспорта веществ через плазматическую мембрану может регулироваться, поэтому проницаемость для конкретного вещества

– величина, изменяемая во времени. Особенно этот принцип важен в отношении ионов натрия, калия, кальция, хлора – в возбудимых клетках имеются специальные механизмы регуляции проницаемости мембраны для указанных ионов, позволяющих менять ее в широких диапазонах, в том числе до полного прекращения транспорта иона. При этом существуют два основных механизма такой регуляции – за счет изменения уровня мембранного потенциала (потенциалзависимый механизм) или за счет активации специфических клеточных рецепторов (рецепторуправляемый механизм).

Классификация видов транспорта.

Выделяют транспорт пассивный и активный.

Пассивный транспорт – это перемещение веществ через мембрану без затраты энергии по концентрационному (и/или электрическому) градиенту.

Варианты пассивного транспорта:

-простая диффузия;

-облегченная диффузия;

-осмос;

-фильтрация.

Простая диффузия – это прямой транспорт, т.е. осуществляется без участия переносчиков. Путем простой диффузии осуществляется перенос мелких жирорастворимых молекул О2, СО2 и др. Диффузия идет со скоростью, пропорциональной градиенту концентрации или градиенту напряжения транспортируемых веществ, согласно закону Фика;

Облегченная диффузия – это опосредованный транспорт, диффузия осуществляется через специфические каналы (в том числе и ионные) или с участием специфических белков-переносчиков. Процесс высоко специфичен, скорость его намного больше, чем простой диффузии. Через ионные каналы клетка обменивается ионами с внешней средой. С помощью белков переносчиков возбудимые клетки (как и другие клетки) получают из внеклеточной среды аминокислоты, органические кислоты, нуклеотиды, моносахара (например, глюкозу), которые транспортируются в клетку по градиенту концентрации. Этот вид транспорта регулируется с участием гормонов, например, инсулина (гормон, продуцируемый β-

26

клетками островков Лангерганса поджелудочной железы). Этот гормон повышает сродство переносчика к глюкозе и аминокислотам и тем самым увеличивает скорость облегченной диффузии;

Осмос – это перенос растворителя (воды) через полупроницаемую мембрану из раствора с меньшей концентрацией в раствор с большей концентрацией вещества. Сила, которая в данном случае определяет движение растворителя, называется осмотическим давлением.

Фильтрация – это транспорт растворителя с растворенными в нем веществами через мембрану под гидростатическим давлением. Например, фильтрация в почечных клубочках. Этот вид транспорта также является прямым, т.е. без участия переносчиков.

Активный транспорт – это опосредованный транспорт, так как для его осуществления требуется специфический мембранный белок (АТФаза), перемещение веществ через мембрану осуществляется с затратой энергии АТФ против концентрационного (и/или электрического) градиента. Активный транспорт зачастую является сопряженным. Сопряженный транспорт обеспечивают белки, транспортирующие одновременно два соединения. Причем этот вид транспорта может быть однонаправленным, когда оба соединения проникают через мембрану в одном направлению (симпорт), либо разнонаправленным (антипорт).

Варианты активного транспорта:

-первично активный транспорт;

-вторично активный транспорт;

-экзоцитоз;

-эндоцитоз.

Примером первично-активного транспорта является работа Na+/К+-

насоса. Данный насос представлен интегральным белком (АТФ-азой), который обеспечивает сопряженный антипорт Na+ и К+. За счет использования энергия одной молекулы АТФ из клетки выкачивается 3 иона Na+, а закачивается 2 иона К+. Na+/К+-насос состоит из двух субъединиц – α-липопротеина и β-гликопротеина. Ферментативный центр, гидролизирующий АТФ, находится на α-субъединице, обращенной внутрь клетки. На внутренней поверхности клетки осуществляется и активация этого фермента ионами Na+. Калийсвязывающий центр располагается в той части молекулы, которая ориентирована во внеклеточную среду. Поступление ионов Na+ в открытый вначале внутренний вход приводит к конформации фермента и последующему закрытию внутреннего входа и открытию наружного. Это сопровождается повышением сродства фермента к ионам К+, которые замещают выталкиваемые ионы Na+. Связывание К+ и гидролиз АТФ вызывают возвращение АТФ-азы в исходное состояние. Затем открывается внутренний вход и ионы К+ выталкиваются внутрь клетки.

27

Для нового цикла необходима новая молекула АТФ. Кроме ионов Na+ активность гидролизирующего фермента зависит и от наличия внутри клетки ионов Mg2+.

Вторично-активный транспорт чаще всего обеспечивается в сопряжении с Na+. Энергия, накопленная благодаря созданию низкой концентрации натрия в цитоплазме, обеспечивает безэнергетический транспорт других соединений (например, углеводов и аминокислот энтероцитами тонкого кишечника или ионов кальция в кардиомиоцитах). Низкая внутриклеточная концентрация натрия обеспечивает его пассивный (концентрационный) транспорт. При этом транспортный белок одновременно транспортирует и другое соединение. Таким путем возможны оба типа сопряженного транспорта – симпорт и антипорт.

Необходимым условием этого вида транспорта является работа Na+/К+-насоса соответствующих клеток. Поэтому уменьшение активности этого насоса, а значит, и увеличение внутриклеточной концентрации Na+ снижает или блокирует проницаемость мембраны для указанных веществ. Чаще всего это происходит при снижении поступления кислорода, обеспечивающего ресинтез АТФ.

Эндоцитоз – это активный транспорт, характерный для некоторых клеток, протекающий с изменением архитектуры (впячивание) мембраны клетки и обеспечивающий поступление внутрь клетки крупных капель (пиноцитоз) или частиц (фагоцитоз).

Экзоцитоз - это активный транспорт, характерный для некоторых клеток, протекающий с изменением архитектуры (выпячивание) мембраны клетки и выброс из клетки некоторых веществ (например, медиатор из нервного окончания, хиломикроны из энтероцита в лимфу).

6.5.Состояние функционального покоя. Мембранный потенциал покоя, его происхождение. Регистрация МПП с помощью микроэлектродной техники.

В состоянии физиологического покоя между содержимым клетки и внеклеточной жидкостью существует разность потенциалов, которая именуется мембранным потенциалом (МП) или потенциалом покоя (ПП). Его величину можно измерить (рис. 1), введя внутрь клетки микроэлектрод (стеклянный капилляр, заполненный проводящим ток раствором). Второй электрод помещается снаружи. Луч на экране осциллографа показывает, что до прокола микроэлектодом мембраны разность потенциалов между двумя точками наружной поверхности мембраны была равна нулю. В момент прокола обнаружена разность потенциалов, указывающая, что внутренняя сторона мембраны заряжена электротрицательно по отношению к ее наружной поверхности (луч осциллографа отклоняется от нулевой точки в сторону отрицательных значений). Внутри клетки регистрируется отрицательный заряд. Его

28

выраженность в различных возбудимых клетках не одинакова. Так, в скелетной мышце уровень МП равен –90 мВ, в гладкомышечной клетке – в среднем около – 30 мВ, в нервных клетка – от –40 до –90 мВ, в секреторных – около –20 мВ.

Рис. 1. Схема измерения мембранного потенциала мышечного волокна с помощью внутриклеточного микроэлектрода:

А – мышечное волокно; Б – луч на экране осциллографа

М – внутриклеточный микроэлектрод; И – индифферентный электрод.

Ионные механизмы происхождения МП.

Воснове мембранного потенциала лежит неодинаковая для катионов

ианионов проницаемость мембраны. Отрицательные ионы плохо проходят через мембрану. Наличие на мембране ионных каналов создает возможность для концентрационного трансмембранного транспорта положительно заряженных ионов металлов. Но и среди них имеется

существенное различие. В состоянии покоя мембрана более проницаема (примерно в 10-15 раз) для К+, чем для Na+. Это обусловлено тем, что в мембране имеется большое количество постоянно открытых каналов без

ворот (каналов утечки), которые пропускают большее количество ионов К+, в единицу времени, чем для Na+. Ионы К+ выходят из клетки по концентрационному градиенту, выносят с собой положительные заряды и заряжают наружную поверхность клетки положительно. Внутри остается избыток анионов (глутамат, аспартат, органические фосфаты), которые создают отрицательный заряд на внутренней поверхности мембраны. Разнозаряженные ионы удерживают друг друга около поверхностей мембраны. Такое состояние заряженности клетки называется поляризацией.

По мере того как на наружной поверхности клетки накапливаются положительные заряды, а на внутренней отрицательные, формируется

электрический градиент, направленный внутрь, т.е. препятствующий дальнейшему выходу К+. В момент когда силы диффузии К+ из клетки по

29

градиенту концентрации будут равны противодействующим электрическим силам, препятствующим выходу, устанавливается равновесный К+ потенциал, при котором прекращается поток К+ через мембрану. Величина равновесного К+ потенциала может быть определена с помощью уравнения Нернста:

где EK – величина равновесного потенциала для К+; R – газовая постоянная; T – абсолютная температура; n – валентность иона; F – число Фарадея; Ci – концентрация иона внутри клетки; Ce – концентрация иона вне клетки.

В то же время потенциал покоя близок, но не равен равновесному К+ потенциалу: мембрана в покое все же несколько проницаема для Na+, в результате эти ионы в небольшом количестве входят в клетку (для Na+ и концентрационный и электрический градиенты направлены внутрь клетки) и немного уменьшают значение равновесного К+ потенциала. Следовательно, К+ потенциал покоя (в типичном нервном волокне около – 80мВ) несколько менее отрицателен, чем равновесный потенциал (около –

100мВ).

Определенный вклад в создание МП вносит и Na+/K+ насос, так как за один оборот насоса Na+ выкачивается на 1 ион больше, чем заканчивается K+. Это приводит к накоплению положительного заряда снаружи и отрицательного внутри.

Физиологический смысл потенциала покоя.

1.Поддерживает строго определенную ориентацию полярных молекул фосфолипидов в структуре мембраны.

2.Поддерживает селективные Na+ каналы в закрытом состоянии.

3.Создает высокий электрический градиент, способствующий быстрому входу ионов Na+ в клетку при развитии ПД.

6.6.Деятельное состояние тканей. Мембранный потенциал действия, его фазы, их происхождение.

Потенциал действия (ПД) представляет собой кратковременное волнообразное изменение мембранного потенциала от уровня покоя (рис. 2) примерно до +30 мВ (в типичном нервном волокне). Длительность его в нервном волокне 1-2 мс, амплитуда около 100-120 мВ. Условия возникновения ПД:

-достаточной силы раздражитель (пороговая или надпороговая);

-достаточное время действия раздражителя;

-достаточная скорость нарастания силы раздражителя.

Фазы потенциала действия.

1.Фаза деполяризации по скорости делится на:

-медленную (частичную) деполяризацию (от МП до КУД);

30