АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

Потенціали дії. Потенціалами дії (ПД) називаються швидкі коливання МПС, що виникають при збудженні клітини

Потенціалами дії (ПД) називаються швидкі коливання МПС, що виникають при збудженні клітини. В основі ПД лежать зміни іонної провідності мембрани. Амплітуда і тривалість ПД окремої клітини мало залежать від сили подразнення, важливо лише, щоб ця сила досягла певної критичної величини — порога подразнен­ня. ПД, що виник у місці подразнення, поширюється вздовж нер­вового чи м'язового волокна, не змінюючи своєї амплітуди. На­явність порогу подразнення і незалежність амплітуди ПД від си­ли подразнення називається законом "все або нічого". Щоправда, у таких тварин як гідра, ПД при своєму поширенні по дифузній нервовій системі поступово "затухає", або, як кажуть, поширю­ється з декрементом.

Для реєстрації ПД використовують поза- та внутріклітинні електроди. При позаклітинному відведенні електроди підводять до зовнішньої поверхні волокна (клітини). Реєстрація ПД за до­помогою позаклітинних електродів показала, що поверхня збудже­ної ділянки на дуже короткий час (мілісекунди) стає зарядженою негативно по відношенню до сусідньої незбудженої ділянки (рис.10.2).

залежно від умов відведення розрізняють двофаз­ні та однофазні ПД. Перші виникають, коли збудження, що поширюється по нервовому чи м`язовому волокну, проходить послідовно спочатку під одним, а потім під другим відвідним електродом (рис.10.2). Щоб отримати однофазний ПД, треба ділянку тканини під другим, дальшим від подразнюючих, електродом вбити (отруїти). Тоді збудження до другого електроду не доходить, і на екрані осцилографа ми бачимо лише першу фазу ПД. в деяких особливих умовах (в об"ємно­му провіднику) можна зареєструвати і трьохфазний ПД.

Iонний механізм генерації ПД. В основі генерації ПД ле­жать зміни проникності клітинної мембрани, що послідовно виникають у часі. В момент подразнення провідність мембрани до іонів Na⁺ зростає і останні починають входити у клітину і тим самим знижувати внутрішній негативний заряд мембрани, тобто буде виникати деполяризація мембрани. При досягненні мембраною певного - критичного рівня деполяризації виникає лавиноподібний потік іонів Na⁺ всередину клітини, що зумовлює розвиток висхідного коліна ПД. В цей момент g_Na зростає у 100 разів, порівняно з станом спокою, і стає у 20 разів біль­ше g_k. І якщо це збільшення натрієвої провідності триває далі, то заряд мембрани в місці подразнення змінюєть­ся — виникає так звана реверсія знаку МП.

Натрієва провідність досягає максимуму менш, ніж за 1 мс після по­чатку ПД, а потім різко знижується, зникаючи зовсім протягом 5 мс, хоча деполяризація мембрани ще зберігається. Це явище називається нат­рієвою інактиктивацією, яка існує до тих пір, поки триває де­поляризація мембрани. Натрієва активаційна система відновлю­ється, коли МП повертається до вихідного рівня або, навіть, при певній гіперполяризації мембрани. На відміну від g_Na , g_K не інактивується, і, навіть, зростає доти, поки існує деполяризація мембрани.

Зміни збудливості клітини при збудженні. Під час натрієвої інактивації будь-яка деполяризація мембрани абсолютно неефективна, тобто клітина в цей час нез­будлива. Це так званий абсолютний рефрактерний період, який триває 1-2 мс. Потім протягом кількох мілісекунд після закін­чення абсолютної рефрактерності нове збудження можна викликати лише при більшій силі подразнення, ніж перший ПД. Величина ПД в цей час також зменшена, оскільки натрієва система не повністю відновлена від інактивації після першого ПД (рис.10.3 Б). Цей відрізок часу, протягом якого відбувається відновлення збудливості клітини, називається відносним рефрактерним періодом,.

Абсолютний рефрактерний період обмежує максимальну часто­ту генерації ПД живою клітиною. Оскільки у більшості нервових клітин ПД триває близько 2 мс, то максимально можлива частота генерації ПД у них буде 500/с. Проте, є клітини з ще коротшим рефрактерним періодом, які мають частоту генерації до 1000/c. Але звичайно частота гене­рації ПД у ЦНС не перевищує кількох десятків ПД за 1 с.

У живій клітині існують дві системи руху іонів крізь мембрану. Одна з них здійснюється за градієнтом концентрації іонів і не вимагає витрати енергії, це пасивний іонний транс­порт. Він відповідає за підтримання МПС та виникнення ПД і здійснюється через іонні канали. Друга система ру­ху іонів крізь мембрану відбувається проти концентраційного градієнта і полягає у "викачуванні" іонів Na⁺ з цитоплазми і "закачуванні" іонів К⁺ всередину клітини за допомогою іонних насосів. Цей механізм можли­вий тільки при витратах енергії і називається активним іонним транспортом.

Функції іонних каналів. У цитоплазматичній мембрані існу­ють пори, або канали. Терміном канал позначається той шлях, яким іони проходять крізь мембрану за електрохімічним градієн­том. У мембрані існують декілька відмінних іонних каналів. Так, виділяють селективні та неселективні канали. Перші з них пропускають лише один якийсь певний іон: Na⁺, K⁺ або Са²⁺, а другі - кілька іонів. Крім того селективні канали поділяються на по­тенціалозалежні, потенціалонезалежні (хемочутливі) і канали витоку.

потенціалозалежні канали. Провідність цих каналів контролюється ве­личиною МПС, тобто ці канали відкриваються (активуються) і зак­риваються (інактивуються) у відповідь на зміни МПС. Потенціало­залежні канали функціонують в електрозбудливих мембранах і бе­руть участь у генерації ПД. Електрична збудливість пов'язана з існуванням у таких каналах особливого молекулярного пристрою — воріт, відкривання і закривання яких визначається електричним полем мембрани.

"Ворота" можуть знаходитись тільки в двох положеннях: повністю відкритому чи повністю закритому, тому провідність поодинокого іонного каналу — величина стала. Через відкриті канали іони рухаються за концентраційним і електрохімічним градієнтами. Ці потоки іонів призводять до зміни МП, що в свою чергу, змінює середню кількість відкритих каналів і, відповідно, величину іонних струмів.

Для дослідження діяльності іонних каналів застосовують різні методи, один з них — це метод "фіксації напруги на мембрані", з допомогою якого штучно підтримується на мембрані будь-який потрібний потенціал. Про діяльність каналів судять по іонних струмах, які в цей час течуть крізь мембрану.

Потенціалозалежними є натрієві, калієві і кальцієві кана­ли. Натрієві і кальцієві канали відповідають за ранній (почат­ковий) струм вхідного в клітину напрямку, а калієві — за піз­ній (відставлений) струм вихідного з клітини напрямку.

У натрієвих каналах наявні два типи "воріт" — швидкі ак­тиваційні і повільні інактиваційні. Отже, початкове збіль­шення g_Na пов"язане з відкриванням перших воріт ("процес активації"), а наступне повільне зниження g_Na, що відбувається під час деполяризації мембрани, зумовлене зак­риванням других воріт ("процес інактивації").

Натрієві канали характеризуються досить високою, але не абсолютною вибірковістю до іонів Na⁺, оскільки в більшій або меншій мірі вони проникні також для іонів літію, талію і навіть деяких ор­ганічних катіонів (гідразин, амоній). Отвір натрієвого каналу має прямокутну форму розмірами 0,3 х 0,3 нм. Вузька частина каналу, що слугує селективним фільтром, дуже коротка і несе одиничний негативний заряд. Цей заряд притягує катіони, відш­товхує аніони і забезпечує тим самим вибіркову проникність до Na⁺ і подібних до нього катіонів.

Активаційні та інактиваційні ворота розташовані біля внутрішнього кінця натрієвого каналу, причому інактиваційні ворота спрямовані в бік цитоплазми (рис.10.6). У стані спокою активаційні ворота закриті, а інактиваційні відкриті. При деполяризації мембрани спочатку відкриті обидва типи воріт, тобто канал про­пускає іони Na⁺. Потім інактиваційні ворота повільно закриваються — ка­нал інактивується. Лише після закінчення деполяризації посту­пово відкриваються інактиваційні ворота, а активаційні закри­ваються і канал повертається у вихідний стан.

Деякі речовини специфічно змінюють процеси активації та інактивації натрієвих каналів. Так, батрахотоксин спричиняє стійку деполяризацію мембрани, підвищуючи g_Na. Він повністю усуває процес натрієвої інактивації так, шо натрієві канали стають постійно відкритими. Тетродотоксин дуже швидко і різко пригнічує ранній струм крізь мембрану, але тільки тоді, коли він діє іззовні, тобто на чутливі до тетродотоксину рецепторні структури натрієвих кана­лів, розміщені на зовнішній поверхні мембрани.

Калієві канали за своєю будовою нагадують натрієві, але вони відрізняються своєю вибірковістю, спрямованістю потоку іонів та кінетикою процесів інактивації і активації. У всіх збудливих клітинах калієві ка­нали відповідають за пізній іонний струм. Діаметр калієвого каналу у найвужчій його частині становить 0,3 нм. Отже, каліє­ві канали проникні для катіонів, розміри яких перебувають у межах 0,26-0,3 нм (К^+, Rb⁺⁾.

Активація цих каналів відбувається досить повільно, по­рівняно з натрієвими. Крім того, протягом перших 10 мс деполя­ризації немає ніякої калієвої інактивації, вона виникає тільки при дуже тривалій (багато секунд) деполяризації мембрани.

Щоправда, щойно викладені дані про співвідношення між процесами активації та інактивації калієвих каналів властиві лише для нервових волокон. У мембрані багатьох нервових і м'­язових клітин існують калієві канали, які порівняно швидко інактивуються. Виявлені також калієві канали з швидкою актива­цією. Нарешті, є калієві канали, які активуються не мембранним потенціалом, а внутрішньоклітинним Са²⁺. Щільність розташуван­ня калієвих каналів на мембрані дещо менша, ніж натрієвих. Специфічним блокатором калієвих каналів є тетраетиламоній (ТЕА), іони Н⁺ та амінопіридини. ТЕА діє з будь-якого боку мембрани.

Кальцієві канали. Ретельне дослідження роботи іонних каналів у різних нер­вових клітинах дозволило модифікувати іонну модель генерації ПД, запропоновану Ходжкіним і Хакслі, яка включала лише натрі­єві та калієві канали. Виявилося, що іони Са²⁺ також беруть активну участь у процесі генерації ПД. Мало того, з'ясувалося, що в деяких клітинах вхідний струм створюється переважно іона­ми Са²⁺ (нейрони молюсків, непосмуговані м'язові клітини). Крім порів­няно швидкого вхідного кальцієвого струму, що бере участь у генерації ПД, був виявлений ще один дуже повільний кальцієвий струм. Цей струм відповідає за повільну деполяризацію (протя­гом кількох секунд), яка обумовлює генерацію серій імпульсів у деяких пейсмейкерних нейронах (клітини Пуркін'є).

Кальцієві канали мають дещо уповільнену (порівняно з нат­рієвими каналами) кінетику процесу активації, яка триває мілі­секунди, і ще повільнішу кінетику процесу інактивації, яка триває десятки і сотні мілісекунд.

Селективність (вибірковість) кальцієвих каналів обумовле­на наявністю в ділянці зовнішнього входу якихось хімічних груп, які мають підвищену спорідненість до двохвалентних каті­онів: іони Са²⁺ зв'язуються з такими групами і тільки після цього проходять у порожнину каналу. До деяких двохвалентних катіонів спорідненість цих хімічних груп така велика, що зв'­язуючись з ними, ці катіони блокують рух Са²⁺ крізь канал. Так, наприклад, діють іони Mn²⁺. Специфічними блокаторами кальцієвих каналів є харибдотоксин, вилучений з отрути скорпіо­на, а також такі органічні речовини, як верапаміл та ніфедипін. Останні широко застосовуються при лікуванні деяких серцево-судинних хвороб.

Характерною особливістю кальцієвих каналів є їхня залеж­ність від клітинного метаболізму, зокрема від циклічних нукле­отидів (цАМФ, цГМФ), які регулюють процеси фосфорилювання і дефосфорилювання білків кальцієвих каналів. Іони Са²⁺ ефективно впливають на синтез білків і забезпечують транспорт утворених молекул до аксонів і дендритів. Відкриття цього яви­ща безпосередньо свідчило про те, що процеси на мембрані прямо пов'язані з процесами в самій клітині.

Дослідження останніх років показали, що іони Са²⁺ є важливим регулятором активності збудливих систем. Щоправда, переважна кількість цих іонів, що потрапили в клітину при збудженні, зв'язується буферними системами цитозолю, мітохонд­ріями та іншими внутрішньоклітинними депо. Проте та невелика частина Са²⁺, що залишається вільною, бере активну участь у таких процесах як регуляція діяльності К⁺- та Сl^--каналів, Са²⁺-Na⁺-обміні тощо (П.Г.Костюк).

У кальцієвих каналів виявлена ще одна особливість: вони здатні дуже специфічно реагувати на деякі фізіологічно активні речовини, що утворюються іншими клітинами і виділяються ними у внутрішнє середовище організму (катехоламіни, пептиди та ін.). При дії цих речовин канали активуються чи, навпаки, інактиву­ються. Внаслідок цього змінюється і сумарна активність нерво­вої клітини.

Потенціалонезалежні (хемочутливі) канали. Їх активність контролюється тільки хеморецепторами. Активація хеморецепторів медіаторами супроводжується здебільшого відкриванням каналів. Хемочутливі потенціалонезалежні канали функціонують у субси­наптичних мембранах і беруть участь у генерації постсинаптич­них потенціалів. Вони реагують не тільки на нейромедіатори, але і на гормони та деякі інші фізіологічно активні речовини.

Канали витоку також потенціалонезалежні, але не контролюють­ся хеморецепторами. Ці канали відіграють істотну роль у сумар­ній провідності мембрани у стані спокою, саме їхньою активністю пояснюють менші значення вимірюваного МПС порівняно із розрахованим за рівнянням [5]. Їхня функція ще не з`ясована.

Кожний потенціалозалежний іонний канал навіть при постій­них значеннях МП то відкривається, то закривається. Це відбу­вається випадковим чином, тобто процес має ймовірносний (сто­хастичний) характер. Таке явище викликає переміщення іонів і створює електричний шум. Аналіз цих шумів дозволив розрахувати щільність розташування іонних каналів у мембрані і провідність одного каналу.

Так, у гігантському аксоні кальмара щільність натрієвих каналів становить 300/мкм², середня провідність — 4 пС (піко­сименсів); у перехваті Ранв'є нервів жаби щільність натрієвих каналів значно вища — 2000/мкм², а провідність — удвічі більша — 8 пС.

Дата добавления: 2015-12-15 | Просмотры: 652 | Нарушение авторских прав