2 курс / Нормальная физиология / Общие_свойства_возбудимых_тканей_

Эта разность потенциалов называется мембранный потенциал покоя (МПП), для разных клеток он колеблется от −60 до −90 милливольт. Величина внутриклеточного электрического потенциала, например, у нервных клеток, составляет приблизительно −70 мв.

Возбудимые клетки способны реагировать на раздражение и возбуждаться потому, что в исходном состоянии они ПОЛЯРИЗОВАНЫ, т. е. обладают разностью потенциалов между внутренней стороной мембраны, которая заряжена отрицательно, и окружающей средой. Клетка, не имеющая такого потенциала, не способна ответить на раздражение, поэтому во всех возбудимых клетках постоянно протекают процессы, поддерживающие этот потенциал. Таким образом, мембранный потенциал покоя — основа возбудимости клетки.

Чтобы разобраться в механизмах, обеспечивающих формирование потенциала покоя мембраны, необходимо вспомнить, как устроена клеточная мембрана, и изучить деятельность двух важных компонентов клеточной мембраны: ионных каналов и натрий / калиевого насоса.

Клеточная мембрана, отделяющая клетку от окружающего пространства, построена из двух слоев жироподобных молекул, которые называются фосфолипиды. Особенностью этих длинных молекул является асимметричность их концов: один конец молекулы может контактировать только с водой, а другой — только с жиром, поэтому концы, которые «любят жир», соединены между собой таким образом, что концы, которые «любят воду» направлены внутрь клетки, в ее водную среду, и наружу — в водную среду, окружающую клетку.

Между молекулами фосфолипидов находятся молекулы холестерола, которые делают мембрану более жесткой (рис. 7). До 40 % поверхности мембраны представлено разнообразными сложными белками, которые выполняют различные функции. Белки, расположенные на наружной поверхности мембраны, часто объединены с углеводными группами, как правило, выполняют функции мембранных рецепторов: с этими белками взаимодействуют различные биологически активные вещества, например, гормоны. Белки, расположенные на внутренней поверхности мембраны, обычно выполняют функции внутриклеточных посредников между гормоном и клет-

31

кой — эти белки могут изменить активность внутриклеточных ферментов, следовательно, скорость протекания какого-либо процесса в клетке, например, расщепление глюкозы, так необходимой для работы нейронов. Есть белки, которые пронизывают мембрану насквозь, такие белки называются интегральными. Интегральные белки могут образовывать в мембране пору (отверстие, заполненное водой) для транспорта ионов, могут выполнять и более сложные функции.

Основнымсвойствомклеточноймембраныявляетсяеепрочность и способность к самовосстановлению в случае повреждения. Однако такая мембрана не проницаема для заряженных частиц, которыми являются ионы, они могут попасть в клетку или из клетки только через ионные каналы.

Углеводные группы гликолипидов

Рис. 7. Строение клеточной мембраны

ИОННЫЕ КАНАЛЫ

Ионные каналы представлены интегральными белками мембраны. Эти белки способны, при определенных воздействиях, изменять

32

свою конформацию (форму и свойства) таким образом, что пора, че- резкоторуюможетпройтикакой-либоион,открываетсяилизакрыва- ется. Известны натриевые, калиевые, кальциевые, хлорные каналы; иногда канал может пропускать два иона — например, натрий — кальциевые каналы. Через ионные каналы осуществляется только пассивный транспорт ионов. Это значит, что для перемещения иона необходим не только открытый канал, но и градиент концентрации для этого иона. В этом случае будет движение иона по градиенту концентрации — из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией. Необходимо помнить, что мы говорим об ионах — заряженных частицах, транспорт которых обусловлен еще и зарядом. Возможны ситуации, когда движение по градиенту концентрации может быть направлено в одну сторону, а существующие заряды противодействуют этому переносу.

Ионные каналы обладают двумя важнейшими свойствами: 1) избирательностью (селективностью) по отношению к определенным ионам и 2) способностью открываться (активироваться) и закрываться.

При активации канал открывается и пропускает ионы (рис. 8). Таким образом, в комплекс интегральных белков, формирующих канал, должны обязательно входить два элемента: структуры, распознающие «свой» ион и способные его пропустить, и структуры, которые позволяют узнать, когда пропускать этот ион. Селективность канала определяется теми белками, которые его образуют, «свой» ион распознается по размерам и заряду.

Активация каналов возможна несколькими путями. Во-первых, каналы могут открываться и закрываться при изменении потенциала мембраны. Изменение заряда приводит к изменению конформации белковых молекул, и канал становится проницаемым для иона. Для изменения свойств канала достаточно ничтожного колебания потенциала мембраны. Такие каналы называются потенциал-зависимые (или электроуправляемые). Во-вторых, каналы могут быть частью сложного белкового комплекса, который называется мембранный рецептор. В этом случае изменение свойств канала обусловлено конформационнй перестройкой белков, которая происходит в результате взаимодействия рецептора с биологически активным веществом

(гормоном, медиатором). Такие каналы называются хемозависимые (или рецептор-управляемые). Кроме того, каналы могут открываться при механическом воздействии — давлении, растяжении (рис. 9).

33

Механизм, который обеспечивает активацию, называется воротами канала. По скорости, с которой открываются и закрываются каналы, их можно разделить на быстрые и медленные.

Большинство каналов (калиевые, кальциевые, хлорные) могут находиться в двух состояниях: открытом и закрытом. В работе натриевых каналов есть некоторые особенности. Этим каналам, как и калиевым, кальциевым, хлорным, свойственно находиться или в открытом, или в закрытом состоянии. Однако натриевый канал может быть и инактивирован — это состояние, в котором канал закрыт и не

может быть открыт никаким воздействием (рис. 10).

Внеклеточная жидкость

Мембрана

Рис. 9. Пример работы рецептор-управляемого канала. АЦХ – ацетилхолин. Взаимодействие молекулы АЦХ с мембранным рецептором изменяет конформацию воротного белка таким образом, что канал

начинает пропускать ионы

34

Аактивационная

заслонка

Инактивационная

заслонка

Рис. 10. Пример потенциал-зависимого канала

Впотенциал-зависимом натриевом канале имеются активационные и инактивационные ворота (заслонки). Активационные и инактивационные заслонки меняют конформацию при различном мембранном потенциале

35

При рассмотрении механизмов возбуждения нас будет интересовать в основном работа натриевых и калиевых каналов, однако, остановимся коротко на особенностях кальциевых каналов, они нам понадобятся в дальнейшем. Натриевые и кальциевые каналы отличаются по своим свойствам. Натриевые каналы бывают быстрые и медленные, а кальциевые — только медленные. Активация натриевых каналов приводит только к деполяризации и возникновению или ЛО, или ПД, активация кальциевых может дополнительно вызвать метаболические изменения в клетке. Эти изменения обусловлены тем, что кальций связывается со специальными, чувствительными к этому иону белками. Связанный с кальцием белок изменяет свойства таким образом, что становится способен изменить свойства других белков, например, активировать ферменты, запустить сокращение мышцы, выделение медиаторов.

Механизм работы Na+/K+ насоса как пример активного транспорта, использующего энергию АТФ для переноса

ионов против концентрационного градиента

Na+/K+ насос (или Na+/K+ АТФ-аза) — это, как и ионные каналы, комплекс интегральных мембранных белков, которые могут не просто открыть путь для перехода иона по градиенту концентрации, а активно перемещать ионы против градиента концентрации.

Механизм работы насоса представлен на рис. 11.

1.Белковый комплекс в состоянии Е1, в этом состоянии насос чувствителен к ионам натрия и с цитоплазматической стороны с ферментом связываются 3 иона натрия

2.После связывание ионов натрия происходит гидролиз АТФ и выделяется энергия, необходимая для переноса ионов против гра-

диента концентрации, освобождается АДФ неорганический фосфат (именно поэтому насос и называют Na+/K+ АТФ-азой).

3.Насос меняет конформацию и переходит в состояние Е2. При этом места связывания ионов натрия оказываются обращенными наружу. В этом состоянии насос обладает низким сродством к натрию,

иионы освобождаются во внеклеточную среду.

4.В конформации Е2 фермент обладает высоким сродством к калию и связывает 2 иона.

36

5. Происходит перенос калия, освобождение его во внутриклеточную среду и присоединение молекулы АТФ — насос вернулся в конформацию Е1, вновь приобрел сродство к ионам натрия и включается в новый цикл.

Е1

1

5

L

АТФ Na+

Ka+

Е2 Р

Ka+

4

3

Na+

Рис. 11. Механизм работы Na+/K+ насоса

Обратите внимание на то, что Na+/K+ насос переносит 3 иона натрияизклеткивобменна2ионакалия.Поэтомунасосявляетсяэлектрогенным: суммарно за один цикл из клетки удаляется один положительный заряд. Транспортный белок выполняет от 150 до 600 циклов в секунду. Поскольку работа насоса представляет собой многоступенчатую химическую реакцию, она, подобно всем химическим реакциям, в значительной степени зависит от температуры. Другой характеристикой насоса является наличие уровня насыщения. Это означает, что скорость работы насоса не может возрастать бесконечно при повышении концентрации транспортируемых ионов. В отличие от этого поток пассивно диффундирующего вещества растет пропорционально разности концентраций.

Помимо Na+/K+ насоса мембрана содержит еще кальциевый насос, который откачивает ионы кальция из клетки против градиента концентрации с использованием энергии в результате расщепления молекулы АТФ.

37

3Na+

АТФ 2Ka+

Выучите значения концентрации ионов вне и внутри клетки!

Итак, есть два факта, которые необходимо учесть, чтобы понять механизмы, поддерживающие мембранный потенциал покоя.

1.Концентрация ионов калия в клетке значительно выше, чем во внеклеточной среде.

2.Мембрана в покое избирательно проницаема для ионов К+,

адля Nа+ — проницаемость мембраны в покое незначительна. Если принять проницаемость для калия за 1, то проницаемость

для натрия в покое составит лишь 0,04. Следовательно, существу-

ет постоянный поток ионов К+ из цитоплазмы по градиенту кон-

центрации. Калиевый ток из цитоплазмы создает относительный дефицит положительных зарядов на внутренней поверхности, для анионов клеточная мембрана непроницаема, в результате цитоплазма клетки оказывается заряженной отрицательно по отношению к окружающей клетку среде. Эта разность потенциалов между клеткой и внеклеточным пространством называется мембранным потенциаломпокоя(МПП).В покое клеточная мембрана поляризована— об-

38

ладает различным зарядом на внутренней и внешней стороне. Если этот заряд уменьшается, говорят о деполяризации клетки, а если уве-

личивается — о гиперполяризации.

Возникает вопрос, почему же ток ионов калия не продолжается до уравновешивания концентраций иона вне и внутри клетки? Следует вспомнить о том, что это заряженная частица, следовательно, ее движение зависит и от заряда мембраны. Внутриклеточный отрицательный заряд, который создается благодаря току ионов калия из клетки, препятствует выходу из клетки новых ионов калия. Поток ионов калия прекращается, когда действие электрического поля компенсирует движение иона по градиенту концентрации.

Следовательно, для данной разности концентраций ионов на мембране формируется так называемый РАВНОВЕСНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ для калия. Этот потенциал (Ek) равен RT/nF *ln [Kснаружи]/ [Kвнутри], (n – валентность иона.) или

Ek=61,5 log[Kснаружи]/[Kвнутри]

Мембранный потенциал (МП) в большой степени зависит от равновесного потенциала калия, однако часть ионов натрия все же проникает в покоящуюся клетку, так же, как и ионы хлора. Таким образом, отрицательный заряд, который имеет мембрана клетки, зависит от равновесных потенциалов натрия, калия и хлора и описывается уравнением Нернста.

Наличие этого мембранного потенциала покоя чрезвычайно важно, потому, что именно он определяет способность клетки к возбуждению — специфическому ответу на раздражитель.

Возбуждение клетки

Возбуждение клетки (переход от покоя к активному состоянию) происходит при повышении проницаемости ионных каналов для натрия, а иногда и для кальция. Причинами изменения проницаемо- стимогутбыть:иизменениепотенциаламембраны—активируются электровозбудимые каналы, и взаимодействие мембранных рецепторов с биологически активным веществом – рецептор-управляемые каналы, и механическое воздействие.

В любом случае для развития возбуждения необходима началь-

ная деполяризация — небольшое снижение отрицательного заря-

да мембраны —, вызванная действием раздражителя. Раздражите-

39

лемможетбыть любое изменение параметров внешней или внутренней среды организма: свет, температура, химические вещества (воздействие на вкусовые и обонятельные рецепторы), растяжение, давление. Натрий устремляется в клетку, возникает ионный ток и происходит снижение мембранного потенциала — деполяризация мембраны (рис. 12).

Обратите внимание на то, что вход натрия в клетку осуществляется по градиенту концентрации и по электрическому градиенту: концентрация натрия в клетке в 10 раз ниже, чем во внеклеточной среде и заряд по отношению к внеклеточному — отрицательный. Одновременно активируются и калиевые каналы, но натриевые (быстрые) активируются и инактивируются в течение

1–1,5 миллисекунд, а калиевые — дольше.

Изменения мембранного потенциала принято изображать графически. На верхнем рисунке (см. рис. 12) представлена начальная деполяризация мембраны — изменение потенциала в ответ на действие раздражителя. Для каждой возбудимой клетки существует особый уровень мембранного потенциала, при достижении которого резко изменяются свойства натриевых каналов. Этот потенциал назван критическим уровнем деполяризации (КУД). При измене-

нии мембранного потенциала до КУД открываются быстрые, потенциал зависимые натриевые каналы, поток ионов натрия устремляется в клетку. При переходе положительно заряженных ионов в клетку, в цитоплазме увеличивается положительный заряд. В результате этого трансмембранная разность потенциалов уменьшается, значение МП снижается до 0, а затем, по мере дальнейшего поступления натрия в клетку, происходит перезарядка мембраны и реверсия заряда (перемена знака) — теперь поверхность становится электроотрицательной по отношению к цитоплазме: мембрана ДЕПОЛЯРИЗОВАНА полностью (см. рис. 12 — средний рисунок).

Дальнейшего изменения заряда не происходит потому, что инактивируются натриевые каналы: больше натрий в клетку поступать не может, хотя градиент концентрации изменяется весьма незначительно.

Если раздражитель обладает такой силой, что деполяризует мембрану до КУД, этот раздражитель называется пороговым, он вызывает возбуждение клетки. Точка реверса потенциала — это знак того,

40