АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

Мембранный потенциал покоя и механизм его формирования.

Для исследования электрических явлений в нервных (и других) клетках в настоящее время широко применяют микроэлектроды (стеклянные пипетки с очень тонким, примерно 0,5 мкм, кончиком), заполненные электролитом. В таком микроэлектроде электролит играет роль проводника тока, а стекло - изолятора. Если кончик микроэлектрода вводят внутрь клетки, то он регистрирует внутриклеточный потенциал (относительно наружного "индифферентного" электрода). В крупные нервные клетки (волокна) удается вводить и проволочные электроды. С помощью внутриклеточных электродов установлено следующее.

Мембранный потенциал покоя. У нейронов, как и у всех исследованных клеток животных и растений, поверхностная мембрана в покое электрически поляризована, т. е. имеет разный электрический потенциал наружной и внутренней поверхностей. В этом можно убедиться, если ввести внутрь клетки микроэлектрод, соединенный с регистрирующей установкой. Как только микроэлектрод попадает внутрь клетки, он мгновенно приобретает некоторый постоянный электроотрицательный потенциал по отношению к электроду, расположенному в окружающей клетку жидкости.

Величина внутриклеточного электрического потенциала у нервных клеток и волокон, например гигантских нервных волокон кальмара, в покое составляет около - 70 мВ.

Эту величину называют мембранным потенциалом покоя (МПП). Во всех точках аксоплазмы этот потенциал практически одинаков.

При выведении кончика микроэлектрода из клетки возвратным движением или прокалыванием ее насквозь разность потенциалов между электродами скачкообразно исчезает

Связь МПП с поляризацией мембраны клетки доказывает, например, опыт по удалению аксоплазмы из гигантского аксона кальмара. Лишенный аксоплазмы аксон при его перфузии солевым

раствором (сходным по ионному составу с аксоплазмой) обнаруживает примерно такой же МПП, как и нормальный аксон.

Природа поляризации клеточной мембраны сегодня в основном определена. Чтобы ее понять, необходимо рассмотреть некоторые свойства самой мембраны, а также ионный состав внеклеточной среды и внутриклеточной жидкости. Мембрана, например, у аксона кальмара, как и у всех других клеток, - очень тонкая, но достаточно прочная оболочка. Согласно электронно-микроскопическим данным, ее толщина составляет 5-10 нм. Мембрана состоит из липидов, белков и мукополисахаридов. Бимолекулярный слой липидов является матриксом мембраны. Белки, вкрапленные в липидный матрикс, образуют каналы для воды и ионов, формируют ионные насосы и т. п. (рис. 1.5, Л). Мукополисахариды, располагаясь в виде "деревьев" на поверхности мембраны, осуществляют рецепторные функции. Мембрана постоянно обновляется. При этом ее качества могут несколько меняться в зависимости от изменения программы соответствующих процессов синтеза.

Клеточная мембрана обладает значительными электрическим сопротивлением и емкостью. У аксона кальмара, например, удельное сопротивление мембраны (R _м)¹ составляет в покое 1000 Ом·см², а емкость (С _м) равна примерно 1 мкФ/см². Емкость мембраны, которая создается в основном ее липидным матриксом, довольно постоянна. Сопротивление мембраны проходящему току сильно зависит от состояния ее ионных каналов.

Мембрана легко проницаема для жирорастворимых веществ, молекулы которых проникают через липидный матрикс. Крупные водорастворимые молекулы, в том числе анионы органических кислот, по существу, совсем не проходят через мембрану (могут покидать клетку лишь путем экзоцитоза). В то же время в мембране нервного волокна существуют каналы, проницаемые для воды, для малых молекул водорастворимых веществ и для малых ионов.

Ионные каналы. Особое значение имеют каналы, проницаемые для ионов Na⁺, K⁺, Сl^-, Са²⁺. В нервной мембране присутствуют специфические (селективные) натриевые, калиевые, хлорные и

кальциевые каналы, т.е. каналы, избирательно пропускающие только Na⁺ или К⁺, Cl^- или Са⁺. Эти каналы обладают воротными механизмами и могут быть открытыми или закрытыми. В гигантском аксоне кальмара много натриевых и калиевых каналов. В покое практически все натриевые каналы мембраны аксона закрыты, а большое число калиевых - открыто. Определенное состояние ионных каналов мембраны (например, закрытое у натриевых, открытое у значительной части калиевых) очень важно для генерации МПП нервной клеткой. Кроме того, в мембране находятся неспецифические каналы для ионной утечки, каждый из которых проницаем для К⁺, Na⁺ и Сl^- (больше всего для К⁺). Эти каналы не имеют воротных механизмов, они всегда открыты и почти не меняют своего состояния при электрических воздействиях на мембрану.

Ионный насос. Важным условием для формирования МПП является отличие ионного состава аксоплазмы от ионного состава внешней среды.

Перенос ионов против градиентов их концентраций называют активным ионным транспортомo в отличие от пассивного транспорта - утечки ионов.

Натрий-калиевый насос работает, потребляя энергию АТФ, его основным компонентом является фермент - мембранная Na, К-АТФаза. В норме АТФ поступает к насосу из аксональных митохондрий. Поэтому в лишенном аксоплазмы перфузируемом аксоне насос работает только при добавлении к перфузату АТФ. Для работы насоса, кроме того, требуется наличие в среде ионов К, а внутри волокна - ионов Na⁺. Макромолекулярный механизм насоса работает лишь в случае присоединения к этой системе снаружи ионов К⁺, а изнутри клетки - ионов Na⁺

Утечка ионов. Поляризация мембраны при открытых калиевых каналах, т. с. при высокой калиевой проницаемости (Р _к) мембраны и при наличии большого трансмембранного градиента концентраций К⁺ ([К⁺]_вн ≫ [ K ⁺]_нар), объясняется прежде всего хотя и очень небольшой, но существующей утечкой внутриклеточного К⁺ в среду.

Утечка К⁺ создает разность электрических потенциалов между средой и аксоплазмой в условиях, когда вход Na⁺ в клетку или выход из нее органических анионов (что могло бы компенсировать

нарушения электронейтральности от потери К ⁺) исключены свойствами покоящейся мембраны.

В этой ситуации на мембране создается двойной электрический слой (снаружи - катионы, главным образом Na⁺, внутри - анионы, главным образом органических кислот), препятствующий дальнейшему выходу К ⁺.

Рассмотрим некоторые подробности. Перемещение К⁺ из клетки наружу осуществляется концентрационным градиентом этого иона, совершающим "осмотическую" работу где R - универсальная газовая постоянная, т. е. кинетическая энергия 1 моля ионов при абсолютной температуре Т = 1К.

Разность между текущим значением мембранного потенциала (МП)¹ и Е _к называют электрохимическим градиентом для К⁺. Электрохимический градиент - причина пассивного движения К⁺ через мембрану в естественных условиях.

Справедливость этих представлений доказывается обратной зависимостью МП нервного волокна от ln [K⁺]_нар (рис. 1.6). По тому же принципу может быть рассчитан электрохимический градиент для Na⁺ (E _Na), Сl^- (E _Cl) или Са²⁺ (E _Ca).

Мембранный потенциал покоя гигантского аксона кальмара (-70 мВ) близок к его E _к(-75 мВ), но не точно равен ему, так как МПП здесь формируется не только утечкой ионов К⁺,
Утечка ионов, прежде всего ионов К⁺, формирует так называемый концентрационный потенциал (Е _конц) - основную часть реального МПП.

Прямой электрогенный эффект насоса. В перфузируемом чистым солевым раствором гигантском аксоне кальмара утечка ионов - это, по существу, единственный механизм формирования МПП, но в естественных условиях в образовании МПП участвует еще один, добавочный механизм - прямой электрогенный эффект натрий-калиевого насоса

Прямой электрогенный эффект насоса (который следует отличать от косвенного, т. е. от участия насоса в создании концентрационных градиентов) состоит в поляризации мембраны, возникающей при неравенстве числа (q) ионов Na⁺ и К⁺, которые переносятся в каждом цикле работы насоса.

Только если эти числа равны, насос работает электронейтрально. Если q Na > q к, то его работа увеличивает Е _м (так происходит в

41. Две гипотезы о механизме работы натрий-калиевого насоса мембраны. А - схема с перемещающимися внутримембранными частицами; Б - схема с мембранной макромолекулой,- ритмически изменяющей свою конформацию: I - внутриклеточная среда, II - мембрана, III - внеклеточная среда; 1 - транспортируемое вещество, 2 - транспортирующие частицы, 3 - макромолекула, ритмически меняющая свою конформацию (за счет энергии АТФ); а - конформация для отдачи вещества во внешнюю среду, б - конформация для приема вещества из клетки; стрелками показано направление движения частиц

нервных и мышечных клетках), если же q _Na < q _к, то Е _м уменьшается, что, по-видимому, происходит в шванновских клетках. В нервных волокнах и клетках q _Na/ q _к = 3/2.

Прямой электрогенный эффект насоса (E _нас) зависит не только от скорости переноса заряда насосом, но и от скорости утечки последних в противоположном направлении. В условиях стационарности электрический ток насоса (I _нас) равен току утечки (I _y), создаваемому за счет E _нас. Кроме того, ток утечки зависит от электрического сопротивления мембраны. Таким образом, I _y = E _нас/ R _м, откуда I _нас = E _нас/ R _м и соответственно E _нас = I _нас R _м. У гигантского аксона кальмара R _м относительно мало и поэтому E _нас тоже невелико (~ 1 мВ). В некоторых нервных клетках моллюсков, где R _м велико (мегаомы), E _нас достигает десятка милливольт.

Электрогенный эффект насоса может быть быстро устранен или блокадой мембранной Na, К-АТФазы с помощью сердечных гликозидов (оубаина и др.), или снижением температуры до 5 °С, или нарушением выработки АТФ (при действии динитрофенола и цианидов, гипоксии). Концентрационный потенциал при этом не исчезает, а снижается достаточно медленно по мере потери ионных градиентов на мембране. Реальный МЛП складывается из E _конц и E _нас.

В миелинизированных нервных волокнах у позвоночных потенциал покоя мембраны перехвата Ранвье составляет около - 70 мВ

(рис. 1.7). Его концентрационный компонент имеет в основном калиевую природу, как и в аксоне кальмара. Электрогенный эффект ионного насоса в нормальной среде здесь близок к нулю и только при повышенной концентрации К⁺ снаружи этот эффект усиливается настолько, что может достигнуть 3-4 мВ. Последнее происходит за счет усиления насосного тока.

Функция мембранного потенциала покоя. В самой мембране МПП проявляется как электрическое поле значительной напряженности (10 В/см). Это поле воздействует на макромолекулы мембраны и придает их заряженным группам определенную пространственную ориентацию.

Особенно важно то, что электрическое поле МПП обеспечивает закрытое состояние так называемых активационных ворот натриевых каналов и открытое состояние их инактивационных ворот. Этим обеспечивается состояние покоя и готовности к возбуждению.

Даже относительно небольшой сброс мембранного потенциала (частичная деполяризация) открывает активационные ворота этих каналов и выводит клетку из состояния покоя, дает начало возбуждению. При возбуждении используется электрическая энергия, накопленная в МПП.

¹Здесь при расчете удельного сопротивления (Rм) значение в омах умножают (а не делят) на площадь мембраны, так как для пересекающею мембрану тока с ростом этой площади сопротивление уменьшается (а не растет).

¹МП обозначает любое значение потенциала мембраны, наблюдаемое как и состоянии покоя (МПП), так и в состоянии возбуждения.

¹Повышением МПП условно называют увеличение электроотрицательности внутренней поверхности мембраны.

Дата добавления: 2015-12-15 | Просмотры: 1329 | Нарушение авторских прав