Електрофізіологічні явища на мембранах збудливих клітин merge

Згадаємо, що мембрана складається з біліпідного шару, у який вбудовані інтегральні та поверхневі білки. Саме інтегральні білки формують іонні канали. По суті це пори, через які можуть рухатися іони. До ключових характеристик іонних каналів відносять:

Селективність – здатність пропускати тільки певний вид іонів. Наприклад, Na+- канали пропускають тільки іони натрію, К+ – тільки іони калію, Са+2 – тільки іони кальцію і т.д. У свою чергу селективність залежить від заряду іона, його розмірів, здатності утримувати довкола себе молекули води.

Активність або пасивність – проявляється у способі відкриття каналу для руху іонів. Пасивні іонні канали відкриті постійно. До них, наприклад, відносять К+ канали, відповідальні за формування мембранного потенціалу спокою. Активні канали пропускають іони тільки при певних обставинах. Це досягається завдяки відкриттю чи закриттю воріт канала, що є фрагментом білкової молекули, здатним реагувати на дію подразників. За способом відкриття воріт активні іонні канали поділяють на хемочутливі та потенціалозалежні.

Хемочутливі канали відкривають ворота і пропускають іони при дії на них білогічно активних речовин. Такі речовини звя’зуються із рецептором мембрани і змінюють конформацію білкових молекул стінки канала. Коли вони від’єднуються від рецептора, ворота закриваються і канал припиняє пропускати іони. Прикладом біологічно активних речовин, що діють на хемочутливі

іонні канали є нейромедіатори ацетилхолін та гама-аміномасляна кислота (ГАМК). Так, ацетилхолін відкриває натрієві канали, а ГАМК – хлорні канали. Потенціалозалежні канали реагують відкриттям або закриттям воріт канала при зміні заряду їх мембрани. Так, якщо зовнішній заряд мембрани досягає - 45 mV, то відкриваються активні натрієві канали мембрани і пропускають іони натрію всередину клітини. Внаслідок цього зовнішній заряд змінюється до +30 mV, що є стимулом до закриття цих каналів і припинення транспорту натрію в клітину. Схожим чином регулюється і проникність активних потенціалозалежних калієвих каналів.

Регіональний характер розташування стосується переважної локалізації різних типів іонних каналів у мембрані нейронів. Так, пасивні канали розташовані у всіх ділянках нейрона, хемочутливі канали – у мембрані дендритів та тілі нейрона, а потенціалозалежні канали – переважно у зоні аксонного горбика, по всій мембрані немієлінізованих аксонів та у перехватах Ранв’є мієлінізованих аксонів.

Функціональна специфічність - означає спеціалізацію кожного типу іонних каналів на різних процесах, що формують збудливість. Так, пасивні іонні канали відповідають за формування мембранного потенціалу спокою, хемочутливі іонні канали забезпечують реакцію на дію зовнішніх стимулів у вигляді постсинаптичних потенціалів, а потенціалозалежні канали відповідальні за генерування та проведення вздовж мембрани потенціалу дії.

1.2. Мембранний потенціал спокою та механізми його формування

Завдяки вибірковій проникності клітинної мембрани до різних іонів та функціонуванню активних іонних насосів концентрація одних і тих же іонів у внутрішньоклітинному та позаклітинному просторі суттєво відрізняється. Цю різницю прийнято називати іонним градієнтом. У виникненні мембранного потенціалу спокою найбільше значення мають іонні градієнти калію, натрію та хлору.

Так, концентрація іонів калію у клітині приблизно у 30 разів вища, ніж у позаклітинному просторі, концентрація іонів натрію – у 10, а іонів хлору у 12,5 вища у позаклітинному просторі, ніж у клітині. В той же час, як у клітині, так і міжклітинному просторі, сумарна кількість позитивно заря-

джених іонів майже дорівнює кількості негативних. Тому в обох просторах середовище в цілому залишається електронейтральним. Основними аніонами, які балансують високий вміст калію в клітині, є негативно заряджені залишки амінокислот білків та інших органічних кислот, а надлишок катіонів калію у екстрацелюлярному просторі зрівноважується переважно аніонами хлору.

Розглянемо гіпотетичну клітину, мембрана якої проникна тільки для іонів калію. Саме такими є більшість незбудливих клітин. Концентраційний градієнт для калію є рушійною силою дифузії цих іонів із клітини на зовнішню поверхню мембрани. Однак ця дифузія одночасно створює різницю потенціалів між зовнішньою та внутрішньою сторонами мембрани, оскільки у клітині залишається більше негативно заряджених іонів, які не можуть проникнути через мембрану. Електростатична взаємодія цих іонів із катіонами калію, що вийшли із клітини перешкоджає подальшій дифузії калію.

При певному рівні різниці потенціалів між зовнішньою та внутрішньою сторонами мембрани сили дифузії зрівнюються із електричними і дифузія іонів калію припиняється.

Експериментально показано, що ця різниця потенціалів, яку називають

рівноважним калієвим потенціалом, складає близько - 90 mV. Знак «мінус» означає, що негативно заряджені іони превалюють на внутрішній поверхні мембрани. Математичною моделлю цього процесу є формула Нернста:

EK 61 lgCв

Сз

де ЕК – рівноважний калієвий потенціал; Св – внутрішньоклітинна концентрація іонів К; Сз – зовнішньоклітинна концентрація іонів К.

У збудливих клітинах, зокрема у нейронах, ситуація дещо складніша у зв’язку з тим, що їх мембрана в стані спокою проникна не тільки для іонів калію, але в меншій мірі

менша, ніж калієвих, тому зустрічний потік катіонів натрію в клітину незначний в порівнянні з виходом калію із клітини.

Тим не менше, цей потік зменшує трансмембранну різницю потенціалів до приблизно – 70

деньких м’язів, поряд із іонами натрію і калію у виникненні МПС відіграють аніони хлору, а його рівень в збудливих клітинах різних тканин може знаходитися в межах від -30 до

-90 mV.

1.3. Потенціал дії та його фази

Потенціалом дії (ПД) називають швидкі зміни заряду мембрани, що виникають під дією порогових стимулів, і здатні розповсюджуватися вздовж мембрани збудливих клітин. Завдяки ПД збудливі клітини можуть обмінюватися інформацією між собою та іншими клітинами організму, що в свою чергу забезпечує інтеграцію організму в єдине ціле та його пристосування до зовнішнього середовища. Механізм формування ПД пов’язаний із активними іонними натрієвими та калієвими каналами, які за долі секунди змінюють проникність клітинної мембрани збудливих клітин для цих іонів. В експерименті ПД можна зареєструвати на осцилографі з допомогою двох електродів.

Один з нихактивний розташовують у внутрішньоклітинному середовищі, а інший – пасивний прикладають до зовнішньої сторони клітинної мембрани.

Розглянемо більш детально процеси, які відбуваються при формуванні ПД на прикладі збудження типового еферентного нейрону. Початковим місцем виникнення збудження є аксональний горбик – особлива ділянка у місці відходження аксона від тіла нейрона, яка найбільш чутлива до зовнішніх стимулів завдяки високій порівняно з іншими ділянками мембрани щільності активних натрієвих каналів.

Зміни заряду мембрани аксонного горбика при дії подразників формують 3 послідовні фази ПД:

Фаза слідової гіперполяризації формується протягом наступних 2-3 мс після завершення фази реполяризації і пов’язана із додатковим виходом іонів калію на зовнішню поверхню мембрани через частину ще не повністю закритих активних калієвих каналів. Протягом цієї фази завершується відновлення початкового стану активаційних та інактиваційних воріт активних натрієвих каналів і закриття воріт усіх потенціалозалежних калієвих каналів. Заряд мембрани знову повертається до рівня МПС.

Відповідність стану іонних каналів мембрани та поведінки їх воріт фазам ПД детально проілюстрована на мал. 1.8.

1.4. Рефрактерність збудливих клітин та її механізми

Експериментально встановлено, що при багатократній зовнішній стимуляції збудливої клітини пороговими подразниками, тобто такими – що здатні деполяризувати клітинну мембрану до критичного рівня, вона може повторно збуджуватися і генерувати ПД тільки до певної частоти стимуляції. Якщо ж цю частоту підвищувати, то клітина деякий час реагує утворенням ПД тільки у відповідь на надпорогові стимули, а при подальшому збільшенні частоти стимуляції вона не реагує на подразники будь-якої сили.

Нездатність клітинної мембрани відповідати на порогове подразнення ге-

вздовж мембрани збудливих клітин, що й дало підстави називати цю відповідь локальною , а ПД – без затухання поширюється на далекі відстані. По-третє, ЛП на відміну від ПД, здатна до сумації, яка буває часова та просторова. Часова сумація спостерігається при умові короткого проміжку часу між послідовними стимулами, а просторова – при одночасному надходженні до обмеженої ділянки мембрани декількох підпорогових подразників. Із цим явищем ми познайомимося детальніше при розгляді механізмів синаптичної передачі.

Іонні механізми ЛП пов’язані із функціонуванням активних натрієвих та каліє-

вих каналів мембрани. Ці канали, як уже згадувалося раніше, можуть бути або хемочутливими, або потенціалозалежними. Локальна відповідь в сторону деполяризації, як правило, спостерігається при відкритті під дією підпорогових стимулів воріт натрієвих каналів мембрани. Рух катіонів натрію у цитоплазму зменшує різницю потенціалів між зовнішньою та внутрішньою сторонами мембрани, але не в такій мірі, яка б забезпечила досягнення критичного рівня деполяризації, необхідного для розвитку ПД. Локальна відповідь в сторону гіперполяризації зазвичай виникає при відкритті воріт активних калієвих каналів. Вихід калію із цитоплазми на зовнішню поверхню мембрани призводить до суттєвого зростання мембранного потенціалу спокою. Така мембрана має значно нижчу збудливість, ніж при нормальному значенні МПС, оскільки для її деполяризації до критичного рівня необхідний надпороговий подразник. У синапсах ЛП можуть бути пов’язані з рухом не тільки натрію й калію, а й інших іонів, зокрема – кальцію та хлору.

1.6. Проведення потенціалів дії вздовж мембрани збудливих клітин

Однією із найважливіших властивостей ПД є його здатність бездекрементно (тобто без затухання) проводитися вздовж мембрани збудливих клітин. На проведенні ПД спеціалізуються відростки нервових клітин – дендрити та аксони. Але мембрана соми також здатна проводити збудження.

Для прикладу розглянемо механім проведення ПД у немієлінізованих нервових волокнах. Такими, зокрема, є аксони більшості постгангліонарних нейронів автономної нервової системи (мал.1.13). Якщо нанести порогове подразнення у певному місці такого волокна, то збуджена ділянка протягом фази деполяризації буде мати протилежний заряд по відношенню до сусідньої незбудженої ділянки. При цьому між цими ділянками виникне різниця потенціалів, яка спричинить рух іонів в напрямку до протилежно зарядженої ділянки. Цей рух іонів прийнято називати локальним електричним струмом, який виконує роль порогового подразника для сусідньої незбудженої ділянки. Такі струми розповсюджуються в обидві сторони від місця первинного подразнення, тому кажуть, що нерви