5.1. Мембранная теория возбуждения

 

Сначала мы должны коротко рассмотреть некоторые общие свойства возбудимых мембран (присущие, в частности, мембранам нервных и мышечных клеток). Для изучения электрических процессов в живой ткани можно ввести в эту ткань два электрода и измерять потенциал, создаваемый в результате протекания тока через внеклеточную жидкость. Поскольку, разность зарядов, порождающая эти токи, возникает прежде всего по разные стороны клеточной мембраны, более прямую и точную количественную оценку биоэлектрических явлений можно получить, измеряя трансмембранные токи в отдельных клетках. Для этого необходимо сравнить электрический потенциал (в вольтах) жидкости, находящейся по одну сторону мембраны, с потенциалом жидкости по другую ее сторону. Разность этих потенциалов называетсямембранным потенциалом и обозначается V_M. Для измерения мембранного потенциала один регистрирующий электрод помещают во внеклеточную жидкость, а другой – во внутриклеточную среду. Разность потенциалов между этими электродами усиливают с помощью электронного усилителя и выводят на регистрирующее устройство типа осциллографа (некий аналог вольтметра) (рис. 5–2). Для исследований подобного рода используют стеклянные микроэлектроды (рис. 5–3, А), созданные Джилбертом Лингом и Ралфом Джерардом в 1949 г. Диаметр кончика таких микроэлектродов очень мал, и их можно вводить в крупные и средние клетки, практически не повреждая последние.

 

Рис. 5.2. Электрический сигнал можно вывести на экран осциллографа, при этом отклонение по вертикали будет соответствовать изменению его амплитуды, а по горизонтальной оси будет даваться отсчет времени. Так называемый генератор развертки постоянно «заставляет» электронный луч пробегать по фосфоресцирующему экрану слева направо, в результате чего на экране остается светящийся след. Регистрируемый сигнал подается на вход осциллографа, усиливается и поступает в виде колебания напряжения на вертикально отклоняющие пластины. Так создается отображение изменений входного сигнала во времени.

 

Рис. 5.3. Нулевой (референтный) потенциал и потенциал покоя. А. Когда кончик микроэлектрода находится во внеклеточной среде, то между ним и электродом сравнения, находящимся в этой же среде, разность потенциалов равна нулю. Б. Когда микроэлектрод погружается в цитоплазму, луч на экране осциллографа скачкообразно отклоняется вниз, т.е. регистрируется отрицательный потенциал покоя.

 

 

Стеклянный микроэлектрод представляет собой трубочку, заполненную раствором электролита (например, ЗМ KCl). С помощью серебряной проволочки его подсоединяют ко входу усилителя. Когда кончик микроэлектрода проходит через клеточную оболочку, устанавливается электрический контакт между содержимым клетки и усилителем напряжения. Мембранным потенциалом называют разность между внутриклеточным потенциалом (регистрируемым микроэлектродом) и внеклеточным (регистрируемым серебряной проволочкой, помещенной в окружающую клетку среду). Внеклеточный потенциал условно считают равным нулю. Фактически же электронный усилитель вычитает внеклеточный потенциал из внутриклеточного и регистрирует их разность.

Простейшая установка для измерения мембранного потенциала схематически представлена на рис. 5–3 и 5–4. Исследуемую клетку помещают в физиологический раствор, в который погружен электрод сравнения. До тех пор пока кончик регистрирующего микроэлектрода находится вне клетки, потенциал на обоих электродах остается одинаковым, т. е. разность потенциалов между ними равна 0 (рис. 5–3, А). Перемещая микроэлектрод по направлению к клетке, мы в какой–то момент времени увидим, что луч на экране осциллографа резко отклоняется вниз, т.е. в сторону отрицательного потенциала; этот скачок означает, что кончик микроэлектрода проник в клетку (рис. 5–3, Б). В электрофизиологии принято представлять отрицательный потенциал как отклонение кривых, регистрируемых осциллографом, вниз. Постоянный отрицательный потенциал, возникающий в области кончика микроэлектрода после его проникновения в клетку, называется потенциалом покоя (ПП). Он измеряется в милливольтах (мВ), или тысячных долях вольта. Практически у всех исследованных электрофизиологами клеток потенциал покоя оказался отрицательным. Величина этого потенциала в разных клетках неодинакова и достигает – 100 мВ.

Если погружать кончик внутриклеточного микроэлектрода дальше во внутриклеточную среду, то величина регистрируемого потенциала не изменится. Значит, вся разность потенциалов между наружной и внутренней средой «сосредоточена» в области клеточной мембраны и непосредственно прилегающих к ней с обеих сторон областей.

Для изучения электрических свойств клеточной мембраны проводят следующий эксперимент. Пропускают через мембрану импульс тока, изменяя тем самым мембранный потенциал. Для этого в клетку вводят второй, стимулирующий микроэлектрод (рис. 5–4), с помощью которого через мембрану создают либо входящий (из окружающей среды в клетку), либо выходящий (из клетки в окружающую среду) ток. (В гл. 2 мы говорили, что любой ток, протекающий в растворе и через биологические мембраны, порождается движущимися ионами. Принято считать, что ионный ток течет в направлении от положительного электрода к отрицательному, т.е. соответствует направлению движения катионов). Направление тока через мембрану зависит от того, какой ток создается микроэлектродом.

 

Если электрод заряжен положительно, то ток будет направлен от него в клетку и далее через мембрану. Напротив, если электрод заряжен отрицательно, то ток будет направлен к нему из клетки.

 

Рис. 5.4. А. В клетку через мембрану введены два стеклянных капиллярных микроэлектрода. Через левый электрод пропускают ток, входящий в клетку или выходящий из нее. Входящий ток, выходя обратно через мембрану, приводит к деполяризации клетки. Б. Ток в цепи, состоящей из проволочных проводников, солевого раствора в ванночке, резистора, электродов и клеточной мембраны. Для того чтобы стимулирующий ток был постоянным, сопротивление резистора должно быть намного больше, чем других, элементов цепи. Входное сопротивление усилителя регистрирующей схемы также должно быть очень высоким, в противном случае через регистрирующий электрод будет происходить значительная утечка тока из клетки.

 

Если импульс тока таков, что положительные заряды удаляются из клетки через электрод (т.е. если стимулирующий электрод заряжен отрицательно), то клетка, будучи электроотрицательной даже в покое, становиться заряженной еще более отрицательно. В таких случаях говорят, что происходит гиперполяризация. При гиперполяризации внутриклеточный потенциал может возрасти, например, от потенциала покоя, равного – 60 мВ, до величины – 70 мВ. Обычно клеточные мембраны отвечают на гиперполяризацию пассивно, т. е. их потенциал изменяется в соответствии с законом Ома и какие–либо «собственные» электрические процессы не возникают (рис. 5–5).

Если же ток направлен в клетку, т. е. в нее вводятся положительные заряды, то трансмембранная разность потенциалов уменьшается; в этом случае происходит деполяризация, т. е. внутриклеточный потенциал становится менее отрицательным (например, изменяется от  – 60 до – 50 мВ). Если величина поступающего через электрод тока увеличивается, то степень деполяризации возрастает.

Для мембран возбудимых клеток (т. е. мембран большинства нервных, мышечных и рецепторных клеток) характерно наличие так называемого порогового потенциала. Если мембранный потенциал становится ниже порогового, то возникает мощный активный ответ –потенциал действия (ПД) (рис. 5–5). Этот ответ обусловлен активацией мембранных каналов, проницаемых для ионов натрия. Особенность этих каналов заключается в том, что их можно активировать (т. е. открыть), снизив трансмембранную разность потенциалов. Открывание натриевых каналов в ответ на деполяризацию и возникающий при этом ток ионов натрия, направленный в клетку, – это пример возбуждения мембраны. Подробнее механизмы, лежащие в основе ПД и других проявлений возбуждения, мы рассмотрим дальше.

 

Рис. 5.5. Пассивные и активные электрические ответы мембраны тела нейрона. Раздражающий ток (черные стрелки на рис. А.) вызывает пассивный сдвиг мембранного потенциала (черные кривые на рис. Б). Если деполяризация достигает определенного уровня, то в клетку входит «дополнительный» ток (красные стрелки на рис. A) и это вызывает резкий активный скачок мембранного потенциала– развивается потенциал действия (участок кривой, выделенный красным цветом на рис. Б). Видно, что величина пассивных ответов примерно пропорциональна амплитуде стимулирующего тока, тогда как для активного потенциала действия такой зависимости не наблюдается. Это связано с тем, что ПД обусловлен натриевым током, входящим через открывающиеся натриевые каналы.

 

 

Таким образом, клеточные мембраны могут реагировать на электрические раздражители двумя совершенно разными способами: пассивным и активным.

1. Пассивный электрический ответ – это изменение мембранного потенциала, связанное с тем, что через мембрану начинает течь электрический ток от какого–либо постороннего источника.

Подобное изменение потенциала не зависит от молекулярных процессов в самой мембране (например, от срабатывания ионных каналов). Этим пассивный ответ отличается от активного. Пассивный ответ возникает главным образом при протекании ионных токов через невозбудимые (не реагирующие на электрические изменения) каналы, избирательно проницаемые для ионов K⁺. Эти каналы, или калиевые каналы утечки (см. табл. 5–1), открыты даже в состоянии покоя.

2. Активные электрические ответы, характерные для возбудимых тканей (нервов, мышц, рецепторов), обусловлены открыванием и закрыванием множества мельчайших ионных каналов в ответ на раздражение. Поведение совокупности каналов, проницаемых для того или иного иона, определяет перемещение этого иона в том или ином направлении в зависимости от соответствующего электрохимического градиента.

Срабатывание одних каналов зависит от изменения мембранного потенциала, других – от связывания с особыми рецепторными участками мембраны молекул медиаторов или мессенджеров, третьих (в клетках–рецепторах) – от воздействия специфических раздражителей (например, световых у фоторецепторов, механических у механорецепторов и т. д.). Большинство возбудимых каналов в той или иной степени обладает избирательной проводимостью (селективностью): они пропускают какой–либо ион (или группу ионов) лучше, чем остальные ионы. Поэтому возбудимые каналы часто называют в соответствии с тем, для каких ионов они в норме проницаемы: так, натриевые каналы (табл. 5–1) могут пропускать не только натрий, но также и литий, однако в норме при возникновении нервных импульсов через эти каналы проходит именно натрий. При открывании одного такого канала через мембрану протекает лишь слабый ток, обусловленный прохождением соответствующих ионов. Однако при одновременном срабатывании множества подобных каналов через мембрану идет достаточно большой ток, вызывающий заметное изменение мембранного потенциала. Далее мы убедимся в том, что именное работой ионных каналов связаны почти все электрические процессы в живых тканях.

 

Т а б л и ц а 5–1. Некоторые несинаптические ионные каналы возбудимых клеток

Канал	Ток	Характеристика	Блокаторы	Функция
Калиевый канал, состояние покоя	IK(утечка)	Отвечает за утечку калия в покое	Тетраэтиламмоний (ТЭА), частично	В основном ответственен за потециал покоя
Натриевый канал	I Na	Быстро активируется при деполяризации; затем следует потенциал–зависимая инактивация	Тетродоксин (ТТХ)	Пропускает ток, отвечает за передний фронт ПД, а также проведение импульса
Кальциевый канал	I Ca	Более медленная активация при деполяризации и меньшая проводимость по сравнению с натриевым каналом; инактивация зависит от Ca2+i, и от мембранного потенциала	Верапамил,D–600, Co2+,Cd2+, Mn2+,Ni2+,La2+	Обуславливает медленные деполяризующие потенциалы; кальций играет роль посредника во внутриклеточных процессах
Калиевый канал, задержанное выпрямление	I K(V)	Задержанная активация при деполяризации; при длительной деполяризации медленно и неполностью инактивируется	ТЭА (внутри– и внеклеточно); аминопиридины	Пропускает ток, отвечающий за быструю деполяризацию, заканчивающую потенциал действия
Калиевый кальций– активируемый канал.	I K(Ca)	АктивируетсяCa2+i.Остается активированным до тех пор, пока не произойдет уменьшение Ca2+i.Кальциевая активация усиливается при деполяризации	ТЭА внеклеточно	Пропускает ток, отвечающий за реполяризацию натриевых и (или) кальциевых ПД. Пропускает выходящий ток, компенсирующий входящий кальциевый ток, ограничивая тем самым деполяризацию, обусловленную ICa