АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

Величина мембранного потенциала покоя для различных возбудимых образований.

Поверхностный слой цитоплазмы живой клетки обладает избирательной проницаемостью к ионам. Это обусло­влено его молекулярным строением. Под электронным микро­скопом установлено, что поверхностный слой клетки состоит из определенным образом ориентированных молекул белков и липидов. Толщина его различна у разных клеток, например у эритроцитов 10—20 нм, а у мякотных нервных волокон около 7,5 — 10 нм. Поверхностный слой клетки обозначается как ее мем­брана. Мембрана — это не анатомическое понятие, а физиологиче­ское. Поверхностному слою цитоплазмы свойственны особые функции взаимодействия со средой, окружающей клетку.

На мембране находятся системы ферментов — катализаторов биохимических процессов, происходящих в мембране, в цито­плазме и во всех внутренних образованиях клетки.

Избирательная проницаемость мембраны обусловлена тем, что в ней между молекулами имеются очень узкие промежутки диаметром в десятые доли нанометра — поры. Через эти поры проходят молекулы воды и гидратированные ионы. Диаметр пор при возбуждении иной, чем при покое. В нервных волокнах на мембране располагаются диссоциированные фосфатные и карбок­сильные группы, что обусловливает ее значительно меньшую проницаемость для анионов, чем для катионов. Мембрана нервных волокон в покое в 20 — 100 раз более проницаема для ионов калия, чем для ионов натрия. В невозбужденных нервных и мышечных клетках в 20 — 50 раз больше ионов калия, в 10 — 12 раз меньше ионов натрия и в 14 — 50 раз меньше ионов хлора, чем снаружи, во внеклеточной жидкости.

Предполагается, что в покое поры мембраны, через которые проходят ионы Na, закрыты ионами Са, электростатически задер­живающими вход в клетку ионов Na. Ионы Са имеют существен­ное значение для проницаемости мембраны к ионам Na и К. Уменьшение концентрации ионов Са Снаружи увеличивает количество и скорость прохождения через мембрану ионов Na и К. При отсутствии снаружи ионов Са наблюдается полная невозбуди­мость миелиновых нервных волокон. Существует «кальциевый на­сос», но проницаемость мембраны для иона Са в два раза меньше, чем для иона Na. Поток ионов Са внутрь клетки незначителен, при возбуждении он увеличивается, а выход ионов Са наружу не меняется.

При отсутствии раздражения существует электрическая поляризация мембраны, так как между наружной и внутренней поверхно­стями цитоплазматической мембраны имеется разность потен­циалов благодаря неравномерному распределению ионов. Цитоплазматическая мембрана в покое проницаема для катионов „и непроницаема для выхода из клетки связанных с ними анионов (органических и хлора).

Так как в цитоплазме большинства клеток концентрация ионов К значительно больше, чем в окружающей среде, то они проходят через мембрану вдоль концентрационного градиента на наружную ее поверхность. Примерно на расстоянии 30 нм от поверхности клетки распола­гается слой катионов К. Так как анионы хлора не выходят через мембрану и медленно диффундируют из внеклеточной жидкости в цитоплазму, то они накапливаются у внутренней поверхности мембраны и вместе с органическими анионами электростатически удерживают ионы Na и К. Поэтому в покое наружная поверхность мембраны заряжена электроположительно, а ее внутренняя по­верхность — электроотрицательно.

При повреждении клетки отводится потенциал внутренней по­верхности мембраны, т. е. электроотрицательный. В покое клеточ­ный потенциал регистрируется прокалыванием мембраны микроэлектродом и, следовательно, отведением тока от внутрен­ней ее поверхности. В покое величина клеточного потенциала, или разности потенциалов, наружной и внутренней поверхностей мем­браны, у разных клеток неодинакова (Ходжкин, 1951; Хаксли, 1952).

В возникновении клеточного потенциала участвуют и ионы Na, которые диффундируют в цитоплазму клетки из внеклеточной жидкости, где их содержание значительно больше, чем внутри клетки. Но в покое проницаемость мембраны к ионам Na очень мала. Так как в покое сравнительно большая диффузия положи­тельно заряженных ионов К на наружную поверхность клетки преобладает над сравнительно небольшой диффузией положи­тельно заряженных ионов Na внутрь клетки, то снаружи клетки создается перевес положительно заряженных ионов и разность по­тенциалов между наружной и внутренней сторонами мембраны несколько меньше вычисленной по формуле Нернста. Величина клеточного потенциала для нервных и мышечных волокон по фор­муле равна примерно 90 мв, а измеренная в опыте — 60 — 70 мв. Согласна современной мембранной теории, потенциал покоя является разностью биопотенциалов между наружной поверхностью мембраны и цитоплазмой при покое клетки. Эта разность обусловлена диффузией ионов калия, натрия и хлора. Это подтвер­дилось при математических расчетах диффузии, которые почти совпали с величиной потенциала покоя, установленной в экспери­менте на нервных волокнах.

Диффузия ионов через мембрану изучена посредством радиоак­тивных изотопов Na24 и К42 («меченых атомов»).

Мембранный потенциал у большинства клеток меньше 100 мв. У высокодифференцированных клеток клеточный потенциал больше, чем у менее дифференцированных. У нервных и мышеч­ных клеток он больше, чем у эпителиальных. Клеточный потен­циал изменяется с возрастом.

Согласно классической мембранной теории Бернштейна (1902), предполагалось, что при раздражении клетки или при ее возбужде­нии изменяется ее проницаемость ко всем ионам в месте раздра­жения или возбуждения. Причина возбуждения — разрыхление поверхностной мембраны цитоплазмы, которая становится про­ходимой и для анионов, и поэтому возбужденный участок ста­новится электроотрицательным. Так как теперь катионы больше не удерживаются анионами, то они частично теряются в окружаю­щую среду, особенно ионы калия. В результате исчезает разница в концентрации ионов и разность потенциалов между наружной и внутренней поверхностями мембраны. Это прекращение поляри­зации обозначается как деполяризация. Оказалось, что при возбу­ждении происходит не деполяризация, а реверсия, или извращение, разности потенциалов наружной поверхности мембраны. Мем­бранный потенциал, зарегистрированный в покое, падает до нуля, а затем внутренняя поверхность мембраны становится электропо­ложительной по отношению к наружной ее поверхности, которая становится электроотрицательной.

Ходжкин и Катц с сотр. в 1939 — 1940 гг., вводя внутрь клетки микроэлектроды и регистрируя при этом клеточные потенциалы, обнаружили, что в месте возбуждения возникает потенциал дей­ствия и происходит не только полная деполяризация, а возникает разность потенциалов, противоположная той, которая была в по­кое, — примерно —40 мв (знак минус означает противоположное направление разности потенциалов). Вольтаж потенциала дей­ствия превышает вольтаж клеточного потенциала покоя (рис. 107). Этот «перескок» потенциалов при возбуждении клетки тем больше, чем больше диаметр клетки. В небольших клетках, напри­мер во вставочных нейронах спинного мозга, он незначителен или отсутствует. Оказалось (Ходжкин и Катц, 1949), что превышение потенциала действия над клеточным потенциалом зависит от большей концентрации ионов Na в тканевой жидкости, окружаю» щей клетку, чем внутри клетки. При помещении нервных и мышеч­ных клеток в растворы с пониженным содержанием ионов Na, т. е. при уменьшении концентрации ионов Na снаружи клетки, «перескок» при возбуждении уменьшается, а затем исчезает. Когда содержание ионов Na снаружи клетки уменьшается до 1/3 – 1/6 их нормальной концентра­ции, превышение потенци­ала действия над потен­циалом покоя исчезает. И, наоборот, когда содер­жание ионов Na снаружи клетки увеличивается и становится избыточным, реверсия увеличивается. Цитоплазма клетки посто­янно выталкивает ионы Na, поступающие по кон­центрационному градиен­ту внутрь клетки («натрие­вый насос»). В покое, когда количество ионов Na, поступавших в клетку и вытолкнутых из нее, урав­нивается, распределение ионов Na снаружи и вну­три клетки такое же, как при непроницаемости ме­мбраны к этим ионам (рис. 108). Натриевый «насос» поддерживает внутреннюю концен­трацию Na в нервном волокне на уровне около 10% от его наруж­ной концентрации.

Рис. 107. Потенциал действия, записанный при отведении с внутренней и наружной поверхности аксона нерва кальмара (тто Ходжкину и Хаксли). Шкала — величина по­тенциала (в мВ), зарегистрированная внут­ренним электродом. Окружающая нерв мор­ская вода имеет нулевой потенциал. Внизу отметка времени — 0,2 мс

Когда возникает возбуждение, мгновенно теряется способность цитоплазмы выталкивать ионы Na и они очень быстро поступают внутрь клетки вдоль концентрационного градиента.

При возбуждении резко увеличивается проницаемость мем­браны для ионов Na, она приблизительно в 10 раз превосходит проницаемость для ионов К. Диффузия положительно заряженных ионов Na внутрь клетки начинает значительно превышать диффу­зию положительно заряженных ионов К на внешнюю поверхность мембраны.

При возбуждении и деполяризации мембраны ионы Са уда­ляются и открывают поры, по которым ионы Na проникают внутрь клетки.

Переносимые ионами Na внутрь клетки положительные заряды заряжают мембрану в противоположном направлении, не более чем на 50 мв. Невозможность превышения этой максимальной величины потенциала действия объясняется тем, что при каждом импульсе возбуждения повышается проницаемость мембраны к ионам К, которые, выходя из клетки наружу, т. е. двигаясь в противоположном направлении по сравнению с ионами Na, уменьшают потенциал действия, а затем восстанавливают преж­нюю величину клеточного потенциала. Ионы Na, проникая при возбуждении внутрь клетки, усиливают способность мембраны переносить их внутрь клетки.

Рис. 108. Схема образования и восстановления пикового потенциала при участии «натриевого насоса» (по Ходжкину и Хаксли)

Следовательно, при возбуждении количество ионов Na в цито­плазме клетки увеличивается, а количество ионов К уменьшается. Затем благодаря активности цитоплазмы исходные концентрации этих ионов восстанавливаются. Во время восстановительного периода ионы Na выталкиваются из клетки.

Оказалось, что существует не только активное выталкивание из цитоплазмы ионов Na против концентрационного градиента («натриевый насос»), но и активное накопление ионов К внутри клетки («калиевый насос») против их концентрационного гра­диента. В покое ионы Са выталкиваются из клетки наружу в обмен на ионы К или на ионы Na, поступающие снаружи. Следо­вательно, обмен обоими ионами через мембрану взаимосвязан. При замене цитоплазмы нервных волокон кальмара раствором К оказалось, что если содержание ионов К в растворе было близко к внутриклеточному, то отводился обычный клеточный потенциал, но если содержание ионов К в растворе уменьшалось, то клеточ­ный потенциал снижался или даже извращался. Функциониро­вание обоих «насосов» обусловлено затратой энергии обмена веществ (АТФ и креатинфосфата). АТФ расщепляется ферментом аденозинтрифосфатазой. Предполагается, что передача возбуж­дения с двигательного нерва на мышечные волокна происходит при участии «кальциевого насоса», также работающего за счет энергии, освобождающейся при расщеплении АТФ.

При подпороговых раздражениях возникает местный потен­циал, так как перенос ионов Na не достигает критического уровня, при котором этот процесс усиливается мембраной. При пороговых раздражениях достигается этот критический уровень, и ионы Na, проникающие в клетку, усиливают активный перенос мембраной ионов Na внутрь клетки.

Рефрактерность в связи с интенсивной деполяризацией зависит от того, что уже на высоте возбуждения прекращается активный перенос ионов Na внутрь клетки и усиливается проницаемость мембраны к ионам К и их выход наружу, что повышает порог раздражения или создает полную невозбудимость.

Рис. 109. Схема временной проницаемости пористой постсинапти-ческой мембраны к гидратированным ионам у тормозных и воз­буждающих синапсов (по Экклсу)

Аккомодация к постепенно усиливающемуся раздражению и катодическая депрессия Вериго — результат частичного прекра­щения активного переноса ионов Na при длительной подпорого-вой деполяризации мембраны.

При переходе от возбуждения к покою усиливается выход ионов К из цитоплазмы клетки наружу, при этом восстанавли­вается поляризация, что обозначается как реполяризация.

Сначала реполяризация протекает быстро, а потом замед­ляется, что соответствует отрицательному следовому потенциалу. Одновременно снижается или теряется проницаемость мембраны для диффузии ионов Na в клетку снаружи, которая обозначается как инактивация (Ходжкин). При ритмических раздражениях инак­тивация усиливается.

Гиперполяризация мембраны нервной клетки, или увеличение разности потенциалов между наружной и внутренней поверхно­стями мембраны, при действии тормозящих синапсов зависит от избирательного повышения проницаемости мембраны к ионам К и С1, которые имеют значительно меньший диаметр гидратной оболочки, чем ионы Na. При действии медиатора ионы К на­чинают в большем количестве проходить через мембрану на по­верхность клетки, а ионы С1 — больше диффундировать внутрь клеток, что увеличивает электроположительный заряд мембраны (рис. 109).

После достижения критического уровня ионы С1 начинают вы­ходить наружу.

Длительная гиперполяризация восстанавливает активный пере­нос ионов Na внутрь клетки, что проявляется в повышении воз­будимости после анэлектротона.

Гиперполяризация происходит также при замыкании постоянного электрического тока под анодом, а под катодом при этом возникает деполяризация. Эти электротонические изменение мембранного потенциала имеют физическую природу, они пас­сивны, чем отличаются от активной гиперполяризации и активной деполяризации при возбуждении, которые возникают вследствие изменения проницаемости мембраны для ионов Na и К.

Следовые потенциалы, которые наблюдаются после пика тока действия, объясняются следующим образом: отрицательный, деполяризационный потенциал зависит от остаточной активности переноса ионов Na, а положительный, гиперполяризационный по­тенциал — от остаточного повышения проницаемости к ионам К. Деполяризация мембраны при действии возбуждающих синап­сов зависит от повышения проницаемости мембраны к большин­ству ионов под влиянием другого медиатора.

Повреждение клетки при введении в нее микроэлектродов уменьшает поляризацию, а не вызывает ее. Доказано, что катионы находятся в клетке не в связанном состоянии и обладают большой подвижностью. Подвижность радиоактивных изотопов К и Na измерена. Огромное электрическое сопротивление мембраны под­тверждает ее существование. Механизм ионной проницаемости мембран изучен недостаточно. Возможно, ионы проходят через поры вследствие изменения величины электрического поля на мем­бране, которая меняется при возбуждении. Необходима дальней­шая разработка мембранной теории: изучение молекулярного строения мембраны, выяснение роли ферментов, АТФ и других соединений в ее избирательной проницаемости и т. д.

Дата добавления: 2015-10-20 | Просмотры: 1369 | Нарушение авторских прав