бышевский-биохимия для врача

Тропомиозинсвязывающая субъединица отличается избытком положитель­ но заряженных аминокислотных остатков. За счет этой субъединицы тропонин объединяет Ғ-актин и тропомиозин в единый комплекс.

Ингибиторная единица препятствует взаимодействию миозиновых головок с актином.

Кальцийсвязывающая субъединица имеет несколько центров связывания ионов кальция.

5.3.2. Механизм сокращения мышцы

Сокращение мышцы — результат сокращения составляющих ее мышечных клеток (мышечных волокон). Сокращение мышечного волокна — следствие укорочения каждого его саркомера. Укорочение саркомера происходит в результате взаимодействия толстых и тонких филаментов, которые ориенти­ рованы параллельно длиннику мышцы. В саркомере покоящейся мышцы толстые и тонкие филаменты пространственно разобщены. Тонкие филаменты контактируют с Z-линиями и не достигают центральной части саркомера, оставляя ее свободной. Толстые филаменты занимают центр саркомера, не приходя в соприкосновение с Z-линиями. Только в Н-зоне, в пространстве между толстыми филаментами входят тонкие (рис. 92, А). Взаимодействие филаментов сводится к тому, что тонкие, прикрепленные к Z-линиям по обе стороны саркомера, движутся навстречу друг другу, внедряясь в пространство между толстыми. В результате уменьшается расстояние между Z-линиями, происходит их сближение или, что то же самое, укорочение длинника саркомера (рис. 92, Б).

При максимальном сокращении толстые филаменты приходят в соприкос­ новение с Z-линиями (рис. 92, В).

Инициация сокращения обеспечивается приходом потенциала действия на концевую пластинку двигательного нерва: высвобождение ацетилхолина —свя­ зывание ацетилхолина с постсинаптическими рецепторами — переход потен­ циала на постсинаптическую пластинку — распространение вдоль сарколеммы и к поперечным трубочкам. Потенциал по сарколемме и трубочкам распростра­ няется благодаря наличию в этих образования N a+, К+-АТФазы. В области Z- линии трубочки образуют впячивание внутрь мышечного волокна, охватывая каждую миофибриллу и вступая в контакт с цистернами саркоплазматического ретикулума.

При поступлении сигнала цистерны высвобождают содержащийся в них кальций. Его концентрация в цитозоле быстро увеличивается с 10 до 20 мкм. При такой концентрации все кальцийсвязывающие центры соответствующей субъединицы тропонина оказываются насыщенными.

В покоящейся мышце тропомиозин препятствует присоединению миозиновой головки к соседнему с ним G -актиновому мономеру. Связывание кальция изменяет пространственную структуру тропонина, увеличивая силу взаимо­ действия между его субъединицами. Это ослабляет связь между тропомиозинсвязывающей субъединицей и Ғ-актином и приводит к движению молекулы тропомиозина по желобку тонкого филамента. Миозиневязывающий центр на поверхности актина, прикрытый до того молекулой тропомиозина, обнажается,

иначинается взаимодействие актин-миозин, которое сближает молекулы, принадлежащие разным филаментам. Следствием сближения молекул актина

имиозина будет сближение толстых и тонких нитей, в состав которых они входят.

Механизм первичного сближения и последующего скольжения актиновых и миозиновых нитей полностью не расшифрован. Наиболее вероятна гипотеза, известная под названием модель весельной лодки. Согласно этой гипотезе, на миозиновом стержне имеется подвижный шарнир, легко деформируемый (изгибаемый) участок молекулы. При связывании головки миозина с обнажив­ шимся миозинсвязывающим участком молекул актина активируется А ТФ азный центр, АТФ гидролизуется, высвобождая АДФ и фосфат. Это приводит к изменению конформации миозина, выражающемуся в уменьшении угла между головкой и хвостом его молекулы. Головка в области ш арнира накло­ няется по направлению к линии М, центру саркомера. Этот поворот увлекает в том ж е направлении молекулу актина, тонкий филамент.

К АТФазному центру присоединяется новая молекула АТФ. Это процесс

сокращ ения зависит от числа миозиновых головок, участвую щ их в п ер е ­ мещ ении ф иламентов.

При низкой концентрации АТФ в мышцах потеря эластичности, наблюдаю­ щ аяся в период сокращения, может сохраняться дольше. Это обусловлено тем, что число головок миозина, связанных с актином, нарастает — отсутствует фактор, присоединение которого снижает сродство миозин-актин, т.е. АТФ. Локальные судороги мышц при местном нарушении кровообращения и связан­ ной с этим гипоксией — примеры такого состояния. Образование прочных связей меж ду актиновыми и миозиновыми нитями — причина трупного окоченения, обусловленного исчезновением АТФ.

Выше отмечено, что мышечное сокращение инициирует приход потенциала действия на концевую пластинку двигательного нерва и переход его через трубочки на цистерны. Непосредственный инициатор мышечного сокращения

— рост концентрации кальция в цитозоле. В мембране саркоплазматического ретикулума имеется Са2+-АТФ аза, которая при повышении концентрации ионов кальция начинает перекачивать его в полость ретикулума. Отсутствие нового импульса с двигательного нерва приводит к тому, что концентрация кальция в цитозоле снижается до исходной. В результате этого освобождаются кальцийсвязывающ ие центры тропонина и восстанавливается его конформа­ ция, свойственная состоянию покоя. Это усиливает связь тропонина с тропомиозином и приводит к смещению белка в направлении, свойственном покою. П рикрывается миозинсвязывающий центр в G-актине. Иначе говоря, происхо­ дят процессы, обратные тем, которые наблюдаются при повышении концентра­ ции кальция в цитозоле, мышца расслабляется.

Сокращение гладких мы ш ц, отличающихся по структуре от поперечно­ полосатых, такж е происходит путем АТФ-зависимого взаимодействия актиновых и миозиновых волокон. Пусковую роль в сокращении и здесь играет повышение концентрации кальция, с той разницей, что ионы кальция связы ­ ваются с кальмодулином. Комплекс Са2+-кальмодулин присоединяется к киназе миозина, активируя ее. Активированная киназа фосфорилирует легкие цепи миозина в миофибриллах, что вызывает сокращение. Расслабление мышцы происходит после распада комплекса Са2+-кальмодулин. Его распад приводит к инактивации киназы и восстановлению исходных свойств миозина. Процесс в гладких мышцах протекает заметно медленнее.

Сокращение гладкой мышцы регулируется и другим путем. Киназа, которая активирует миозин, может быть фосфорилирована через аденилатциклазную систему. Отличаясь малым сродством к комплексу Са2+-кальмодулин, фосфорилированная киназа в меньшей степени активируется при повышении кон­ центрации кальция, вызванной потенциалом действия. С этим связан расслаб­ ляющий эф ф ект адреналина — активатора аденилатциклазной системы.

Энергообеспечение мыш цы отличается некоторыми особенностями. Ско­ рость образования АТФ при окислении углеводов или ацетоацетата достаточна для обеспечения метаболизма в покоящейся мышце. При выполнении специфи­ ческой функции потребность в АТФ мгновенно увеличивается в 20-200 раз. В этом случае запаса АТФ (около 5 мкмоль/г ткани) достаточно лишь на 0,5 с интенсивной работы. При высокой интенсивности сокращений потребность в АТФ может вырасти и в большей степени — примерно в 1 ООО раз. Потребление кислорода существенно отстает от потребления АТФ. Это означает, что поставщиком АТФ становится анаэробное окисление — гликолиз. Усиление гликолиза обеспечивается аденилаткиназой, катализирую щ ей образование АТФ из быстро накапливающейся при работе АДФ: 2А Д Ф --------- ►АТФ + АМФ. Повышение концентрации АМФ— аллостерическогоактиватора фосфофруктокиназы (ключевой фермент гликолиза) — ведет к ускорению гликолитического распада глюкозы

Существует возможность быстрого обеспечения энергетических потребностей мышцы за счет креатинфосфата. В покоящейся мышце это вещество накапливается в концентрациях, превышающих концентрацию АТФ в 3-8 раз. Образование креатинфосфата — легкообратимая реакция:

В начальный период работы мышца использует АТФ, образующийся за счет представленной выше реакции, протекающей справа налево. Это наиболее быстрый путь образования АТФ, обеспечивающий мышцу энергией до тех пор, пока включатся другие механизмы: мобилизация гликогена, усиленный тран­ спорт в мышцы других субстратов окисления из печени и жировой ткани. В первую очередь используются запасы углеводов, а затем начинают использо­ ваться липиды.

Работаю щ ая мышца продуцирует значительное количество аммиака в реакции

АМФ + Н20 ;--------------►Инозиновая кислота (ИМФ) + NH3

АМФ регенерируется за счет аминогрупп аспарагиновой кислоты:

ИМФ + Аспартат + Г Т Ф -------------- ►АМФ + Ф умарат + ГДФ + Рп.

Ф умарат в ЦТК превращ ается в ацетоацетат, а тот в реакции переаминирования или восстановительного аминирования — в аспартат. Этот цикличес­ кий процесс обеспечивает дезаминирование аминокислот по такому ж е при­ нципу, как система а-кетоглутаровая-глутаминовая кислота. Образующиеся при этом кетокислоты могут служить источником энергии. Аммиак использу­ ется отчасти для нейтрализации среды, подкисляемой накапливающейся при гликолизе молочной кислотой.

Два продукта, образующиеся в мышцах и поступающие в кровь, — креатин и креатинин имеют определенное диагностическое значение. Креатин, как показано выше, образуется за счет ферментативного дефосфорилирования креатинфосфата. Креатинин образуется в результате неферментативного дефосфорилирования креатинфосфата. Количество креатина, поступающего в кровь и выводящего с мочой, зависит от соотношения меж ду скоростью образования и скоростью превращ ения креатинфосфата в креатин. При болезнях мышц выделение креатина возрастает, а креатинина снижается. Видимо, это обусловлено замедленным фосфорилированием креатина.

Определение креатинина в моче представляет интерес в связи со следую ­ щим. В норме суточное выделение креатинина пропорционально мышечной массе и величина постоянная. Креатинин не реабсорбируется в отличие от многих низкомолекулярных соединений, поэтому его экскреция с мочой отра­ ж ает состояние клубочковой фильтрации. По выделению креатинина можно рассчитать объем фильтрации и объем реабсорбции в почках. При заболевании почек с нарушением фильтрации уменьшается выделение креатина, в то время как содержание его в крови увеличивается.

5.4. Нервная ткань

Центральная функциональная клетка нервной системы — нейрон — связана с помощью дендритов и аксонов с такими ж е клетками и клетками других типов (секреторные и мышечные клетки, сенсорные рецепторы). Непосредственной связи между всеми этими клетками нет — они разделены синаптическими щелями, обнаруживаемыми лишь с помощью электронной микроскопии. Сооб­ щаются клетки путем передачи сигнала. Он должен пройти от тела нейрона по

всей длине аксона до синапса. Передача сигнала между клетками включает в себя освобождение органического вещества (медиатора) и его переход через синаптическую щель. Медиатор вступает в связь с рецептором по другую сторону синаптической щели. Связывание медиатора рецептором обеспечивает восприятие сигнала и вызывает возбуждение, новый сигнал в клетке-акцепто- ре.

Клетки центральной нервной системы характеризую тся наличием синапти­ ческих контактов с большим числом других нервных клеток. При поступлении возбуждающих сигналов от одной или нескольких клеток клетка мож ет генерировать ответный сигнал. Возникновение ответного сигнала может быть заторможено, если на эту ж е клетку через синапсы, связывающие ее с другими нейронами, поступают тормозные медиаторы. Н ервная клетка не может генерировать-ослабленный сигнал или часть сигнала («все или ничего»).

И з сказанного ясно, что знакомство с биохимией нервной ткани включает изучение природы возбуждения и его проведения по аксону, изучение молеку­ лярных механизмов синаптической передачи. Для начала рассмотрим органи­ зацию и химический состав нервной ткани.

5.4.1. Состав нервной ткани

Миелиновая оболочка — существенный элемент нервной ткани. Она окру­ ж ает аксоны и дендриты периферической нервной системы, клеточные тела в нервных ганглиях, нервные волокна белого вещества центральной нервной системы. Образована миелиновая оболочка клетками неврилеммы (шванновскими клетками). М ежду участками аксона, покрытого миелиновой оболочкой, остаются немиелинизированные зоны — перехваты Ранвье.

Основной химический компонент миелиновой оболочки — липиды (70-80%), на втором месте белки (20-30%).

В липидном компоненте отношение холестерол: фосфоглицериды: галактолипиды составляет 4:3:2. Основной фосфоглицерид — фосфатидилэтаноламины, основной галактолипид — цереброзиды. Содержание сфингомиелинов невелико в головном мозге и выше в миелине периферических нервов. В малом количестве содержатся фосфоинозитиды, однако они существенный компо­ нент, связывающий основной белок миелина. В меньших количествах здесь содержатся и другие липиды: моносиалганглиозиды, жирные кислоты, дифосфо- и трифосфоинозитиды.

Миелин периферических нервов отличается меньшим содержанием фосф а- тидилхолинов и большим — сфингомиелина.

Белки миелиновой оболочки — основной белок (30% от общего белка миелина) и прот еолипидная белковая ф ракция (до 50%).

М олекула основного белка состоит из одной цепи (170 аминокислотных остатков, последовательность установлена). Роль его весьма существенна. Это следует из наблюдений над животными, у которых такой белок блокировали специфическими антителами или синтетическим октапептидом с совпадаю­ щей последовательностью аминокислот (в положении от 114 по 121). Блокада вы зы вает воспалительный процесс в мозге, демиелинизацию и паралич конечностей (экспериментальный аллергический энцефаломиелит).

Протеолипидная белковая фракция представлена группой родственных молекул (от 12,5 до 35 кДа) и связанными с ними липидами (смесь равных количеств фосфоглицеридов и цереброзидов).

В миелиновой оболочке обнаруживается еще один белок — кислы й прот е- олипид, свойства которого мало изучены.

Основной белок и протеолипиды представляют собой интегральные компо­ ненты миелиновой мембраны. Об этом говорит тот факт, что в нативной мембране белок окружен мембранным липидом, недоступен для большинства протеиназ и водорастворимых реагентов.

В миелине обнаружена цАМ Ф -зависимая киназа, которая фосфорилирует белок миелина, и фосфодиестераза, гидролизующая цАМФ.

Период полужизни миелина — около одного месяца.

Нейротрубочки и нейрофиламенты — основные цитоплазматические органеллы аксона.

Нейрот рубочки состоят из глобулярного гликопротеида — тубулина, моле­ кулы которого укладываются в виде спирали и образуют параллельные

протофиламенты, составляющие стенку цилиндра (рис.93).

Нейротрубочки постоянно формируются и разрушаются. Их формирование из тубулина — пример самосборки. Самосборку инициирует активация белка посредством ГТФ, молекула которого связана с каждой из субъединиц тубулина. Эта функция ГТФ аналогична функции АТФ в полимеризации G- актина в Ғ-актин в миофибриллах. Предполагают, что изменение внутрикле­ точной концентрации ионов кальция регулирует сборку-разборку трубочек. Нейротрубочки, как частный случай микротрубочек, играют роль в ограниче­ нии латеральной подвижности компонентов плазматической мембраны. Ан­ самбль из микротрубочек или микрофиламентов как бы прикрепляет интег­ ральные липопротеидные комплексы мембран к цитоскелету, препятствуя боковым смещениям.

М икроф иламент ы — тонкие цитоплазматические белковые нити, участву­ ющие, как и трубочки, в поддержании стабильности клеточной мембраны и в ориентированном движении компонентов цитоплазмы, в том числе и органелл. Белок, из которого построены микрофиламенты, отличается от тубулина аминокислотным составом и отсутствием ГТФ. Большое число микрофиламен­ тов содержится в теле клетки, в аксоне и растущем кончике аксона в период его развития.

Особенность химического состава мозга — присутствие в нем двух сильно­ кислых белков (условные названия — S-100 и 14-3-2), содержание которых по крайней мере в 100 раз выше, чем в любом другом органе. Белок S-100 содержится в основном в глии, но изменение его свойств (обработка антисыво­ роткой) наруш ает структуру нейронов и проведение нервных импульсов. Белок 14-3-2 содержится в высокой концентрации в сером веществе, перемещ ается из тела клетки системой медленного транспорта.

ь

Рис. 93. Схематическое изображение поперечного среза нейротрубочки: демонстрируется расположение протофиламентов от 1 до 13.

5.4.2. Метаболизм мозга

Углеводы. В покое энергетические потребности мозга почти полностью обеспечиваются глюкозой, интенсивно поглощаемой из крови. Глюкоза потреб­ ляется преимущественно по гликолитическому пути и в ЦТК, процесс сопро­ вождается интенсивным потреблением кислорода (масса мозга равна 2% от массы тела, а потребление кислорода мозгом достигает 20% от общего потребления). Изменения, вызванные ограниченным снабжением мозга глюко­ зой, устранить в полном объеме можно только глюкозой или за счет ее непосредств енных предшественников.

Способность клеток мозга интенсивно потреблять глюкозу обеспечена высо­ кой активностью гексокиназы. Митохондриальный изофермент гексокиназы нервных клеток в 20 раз активнее изофермент^в других тканей организма,

вовлечении глюкозы в окислительный распад, как и в других тканях, играет фосфофруктокиназа, которую ингибируют свой субстрат, АТФ и цитрат, а активируют фруктозо-6-фосфат, АДФ, АМФ и Р . Расходование глюкозы приводит к накоплению соединений, ингибирующих ее распад, и потребление ограничивается.

«Пропускная способность» гликолитического превращ ения глюкозы выше, чем на аэробном отрезке, где скорость окисления на уровне ЦТК лимитирует изоцитратдегидрогеназа. Активность этого энзима предельна уж е в состоянии покоя. В связи с этим при напряжении процессы ЦТК в мозге не ускоряются.

Метаболизм мозга за счет резерва углеводов долго продержаться не может, так как содержание гликогена здесь невелико (0,1%). Видимо, с этим связано развитие комы при избыточном введении инсулина, когда концентрация глюкозы может упасть в 10 раз. Связанное со сниженным потреблением глюкозы (и соответственно кислорода) недостаточное образование АТФ не обеспечивает энергетических потребностей мозга. Необратимые нарушения возникают даже при непродолжительной гипоксии.

Непосредственно на обмен углеводов в мозге инсулин не влияет, поскольку не проникает через гематоэнцефалический барьер. На метаболизм глюкозы в периферических нервах инсулин может оказывать и непосредственное влияние.

А минокислоты и белки. Ткань мозга концентрирует аминокислоты в небольшой степени, хотя обмен их между тканью мозга и кровью происходит достаточно быстро. Аминокислоты в клетки мозга транспортируются двумя системами для нейтральных и отдельными системами для транспорта амино­ кислот с кислыми и основными свойствами. Имеется отдельная система для транспорта со-аминокислот.

До 75% аминокислот мозга представлены аспарагиновой, глутаминовой и их производными (N-ацетиласпарагиновая, глутамин и глутатион), а такж е ГАМК. В больших концентрациях, по сравнению с другими тканями, в мозге содержатся таурин и цистатионин. Преобладающая аминокислота —глутамат (10 мМ).

Глутаминовая кислота занимает центральное положение в обмене амино­ кислот мозга. Являясь производной а-кетоглутаровой, она используется для образования глутатиона, глутамина и ГАМК. Сама ж е L-кетоглутаровая — метаболит ЦТК. Ее расходование на побочные для ЦТК продукты восполняется за счет анаплеротического (по отношению к ЦТК) процесса, а именно за счет превращения аспарагиновой кислоты в метаболит ЦТК — щавелевоуксусную кислоту (рис. 94).

В тканях головного и спинного мозга благодаря существованию ГАМКшунта для глутаминовой кислоты (по отношению к ЦТК, см. выш е рис.94) содержится больше ГАМК, чем в других тканях. На образование ГАМК в мозге используется до 20% всего глутамата.

Остальные пути метаболизма аминокислот сходны с имеющимися в других тканях.

Непонятно назначение в мозге ферментной системы орнитинового цикла мочевины, не содержащей карбамоилфосфатсинтетазы, из-за чего мочевина здесь не образуется.

Основной источник аммиака в мозге — дезаминирование пуриновых нукле­ отидов при участии аденилатдезаминазы. Аминогруппа глутамата, высвобож-

предопределенных связей, но лишь часть дендридов «молодого» мозга вы ж и­ вает и функционирует у взрослого организма в составе проводящих путей. Возможно, многие связи — результат опыта развивающегося мозга, стабили­ зации определенных синаптических связей. В основе поведения, а его характер определяется сохраненной информацией, должны леж ать кооперативные ре­ акции многих клеток. Поэтому естественно допустить, что в реакциях клеток участвует большое количество макромолекул.

Липиды. Как отмечено, липиды находятся в клеточных и субклеточных мембранах нейронов и в миелиновых оболочках. Следовательно, липиды серого вещества — это компоненты мембран нейронов и глии, в белом веществе липиды входят в состав дендритов нейронов, мембран глиальных клеток и миелина.

Скорость обновления липидов низка, медленно протекает метаболизм холес­ терола, цереброзидов, фосфатидилэтаноламинов и сфингомиелинов. Ф осфатидилхолин обновляется быстро, еще быстрее фосфатидилинозитиды. Те и другие синтезируются в мозге из жирных кислот и глюкозы.

Холестерол синтезируется в период роста, скорость процесса с возрастом падает (снижается активность оксиметилглутарил-КоА -редуктазы). Основная масса холестерола у взрослых неэстерифицирована, эфиры обнаруживаются лишь в участках активной миелинизации.

Синтез цереброзидов и сульфатидов протекает в развивающемся мозге наиболее интенсивно в период миелинизации. В зрелом организме до 90% цереброзидов находится в миелиновых оболочках, ганглиозиды ж е — типичные компоненты нейронов. Наиболее высокой концентрацией цереброзидов харак­ теризую тся синаптосомы, фракция нервных окончаний. Здесь такж е макси­ мальна активность сиалтрансфераз, катализирующих перенос сиаловой кисло­ ты на гликолипиды и гликопротеиды.

Ганглиозиды (их моно-, ди- и трисиалопроизводные) обнаруживаются в областях скоплениях клеточных тел (например, в сетчатке) и в миелинизированных нервах (например, в зрительном).

S.4.3. Проведение нервного импульса

Нервный импульс — волна возбуждения, распространяющаяся по нервному волокну, возникает при раздражении нейрона и несет сигнал о происшедшем изменении в среде (центростремительный импульс) или сигнал-команду в ответ на происшедшее изменение (центробежный импульс).

П отенциал покоя. Возникновение и проведение импульса связано с изме­ нением состояния некоторых структурных элементов нейрона. К этим струк­ турам относятся натриевый насос, включающий N a+, К+-АТФ азу, и два типа ионопроводящих каналов — натриевый и калиевый. Их взаимодействие дает в состоянии покоя разность потенциалов по разные стороны плазматической мембраны аксонов (потенциал покоя). Существование разницы потенциалов связано: 1) с высокой концентрацией ионов калия в клетке (в 20-50 раз выше, чем в окружении); 2) с тем, что внутриклеточные анионы (белки и нуклеиновые кислоты) не могут выходить из клетки; 3) с тем, что проницаемость мембраны для ионов натрия в 20 раз ниже, чем для ионов калия. Потенциал сущ ествует в конечном счете потому, что ионы калия стремятся выйти из клетки, чтобы уравнять внешнюю и внутреннюю концентрации. Но покинуть клетку ионы калия не могут, и это приводит к возникновению отрицательного заряда, который тормозит дальнейшее выравнивание концентраций ионов калия. Ионы хлора должны оставаться снаружи, чтобы компенсировать заряд плохо проникающего натрия, но стремяться покинуть клетку по градиенту концен­ трации.

Для поддерж ания мембранного потенциала (около 75 мВ) необходимо сохранять разницу концентраций ионов натрия и калия, чтобы ионы натрия, проникающие в клетку, выводились бы из нее обратно в обмен на ионы калия. Это достигается за счет действия мембранной N a+, К+-АТФ азы, которая за счет энергии АТФ переносит ионы натрия из клетки в обмен на два иона калия, забираемого в клетку. При ненормально высокой концентрации ионов натрия во внешней среде насос увеличивает отношение N a+/K +. Таким образом, в состоянии покоя ионы калия перемещаются по градиенту кнаружи. Одновре­ менно некоторое количество калия возвращ ается путем диффузии. Разница

между этими процессами компенсируется за счет действия К +, N a +-H acoca. Ионы натрия входят внутрь по градиенту со скоростью, ограничиваемой проницаемостью мембраны для них. Одновременно ионы натрия выкачиваю т­ ся насосом против градиента концентрации за счет энергии АТФ.

П отенциал действия — последовательность процессов, вызываемых в нерве раздражителем. Раздраж ение нерва влечет за собой местную деполяризацию мембраны, снижение мембранного потенциала. Это происходит из-за вхожде­ ния в клетку некоторого количества ионов натрия. Когда разница потенциалов падает до порогового уровня (около 50 мВ), проницаемость мембраны для натрия увеличивается примерно в 100 раз. Натрий устремляется по градиенту в клетку, гася отрицательный заряд на внутренней поверхности мембраны. Величина потенциала может измениться от -75 в покое до +50. Произойдет не только гашение отрицательного заряда на внутренней поверхности мембраны, но появится положительный заряд (инверсия полярности). Этот заряд препят­ ствует дальнейшему поступлению натрия в клетку, и проводимость для натрия падает. Насос ж е восстанавливает исходное состояние. О непосредственной причине этих трансформаций сказано ниже.

Длительность" потенциала действия составляет менее 1 мс и охваты вает (в отличие от потенциала покоя) лишь небольшой участок аксона. В миелинизированных волокнах это участок между соседними перехватами Раньве. Если потенциал покоя изменился в степени, не достигающей пороговой, то потенци­ ал действия не возникает, если ж е пороговое значение достигнуто, то в каждом случае развивается одинаковый потенциал действия (опять «все или ничего»).

Движение потенциала в немиелинизированных аксонах осущ ес­ твляется следующим образом. Д иффузия ионов из участка с инверти­ рованной полярностью в соседние вызывает в них развитие потенциала действия. В связи с этим, возникнув в одном месте, потенциал распространяется по всей длине аксона.

Движение потенциала действия представляет собой нервный импульс, или распространяющуюся волну возбуждения, или проведение.

С движением потенциала действия, с его проведением, возможно, связаны изменения концентрации ионов кальция внутри аксонов. Весь внутриклеточ­ ный кальций, кроме небольшой фракции, связан .с белком (концентрация свободного кальция составляет около 0,ІЗ мМ), в то время как вокруг клетки его концентрация достигает 2 мМ. Следовательно, имеется градиент, который стремится направить ионы кальция в клетку. Природа насоса, выталкиваю щ е­ го кальций, неясна. Известно, однако, что каждый ион кальция обменивается на 3 иона натрия, которые проникают в клетку в момент нарастания потенциала действия.

С т рукт ура натриевого канала изучена недостаточно, хотя и известен ряд фактов: 1) существенный структурный элемент канала —интегральный мембранный белок; 2) на каждый квадратный микрометр поверхности пере­ хвата Ранвье приходится около 500 каналов; 3) в период восходящей ф азы потенциала действия через канал проходит примерно 50 000 ионов натрия; 4) быстрое удаление ионов возможно благодаря тому, что на каж дый канал в мембране имеется от 5 до 10 молекул N a+, К +-АТФазы.

Каждая молекула АТФазы должна вытолкнуть из клетки 5-10 тыс, ионов натрия для того, чтобы мог начаться следующий цикл возбуждения.

Сопоставление скорости прохождения разных по размерам молекул позволило установить диаметр каналов — примерно 0,5 нм. Диаметр может увеличиваться на 0,1 нм. Скорость прохождения ионов натрия через канал в реальных условиях в 500 раз выше скорости прохождения ионов калия и остается выше в 12 раз даже при одинаковых концентрациях этих ионов.

Спонтанный выход калия из клетки происходит через самостоятельные каналы, диаметр которых около 0,3 нм.

Пороговый уровень мембранного потенциала, при котором растет его проницаемость для натрия, зависит от концентрации кальция вне клетки, ее снижение при гипокальциемии вызывает судороги.

Возникновение потенциала действия и распространение импульса в немиелинизированном нерве происходит за счет открывания натриевого канала. Канал образован молекулами интегрального белка, его конформа­ ция изменяется в ответ на рост положительного заряда окружающей среды. Рост заряда связан с входом натрия через соседний канал.