5.6.7. Изменение концентрации ионов во время возбуждения

 

Важно отметить, что то количество ионов, которое, проходя через мембрану, обусловливает изменения мембранного потенциала в ходе ПД, при одиночном импульсе чрезвычайно мало и практически не вызывает изменений внутриклеточной концентрации разных ионов;исключение могут составлять лишь мельчайшие нервные клетки или аксоны.

Обычно емкость мембраны составляет 1 мкФ/см²; это означает, что для возникновения ПД величиной 100 мВ через каждый квадратный сантиметр мембраны в клетку должно переместиться примерно 10^–12 молей Na⁺ (см. дополнение 5–1). В пересчете на квадратный микрон это составляет лишь 160 ионов натрия. Однако вход натрия частично компенсируется одновременным выходом К ⁺, поэтому на самом деле во время каждого ПД в клетку должно переместиться примерно 500 ионов натрия на 1 мкм². Отсюда следует, что при одном ПД содержание Na⁺ внутри гигантского аксона кальмара диаметром 1 мм изменяется менее чем на 1/100 000. Поэтому если натриевый насос такого аксона вывести из строя каким–либо метаболическим ядом, то он еще сможет генерировать несколько тысяч импульсов. Разумеется, однако, что в конечном счете концентрации, а следовательно, и равновесные потенциалы Na⁺ и К⁺ в такой клетке будут существенно сдвинуты.

Известно, что при уменьшении диаметра цилиндра отношение площади его поверхности к объему увеличивается. Именно поэтому в аксонах малого диаметра даже при одиночном ПД концентрации ионов в аксоплазме изменяются довольно существенно. Так, в С–волокнах млекопитающих (диаметром ~ 10 ^–3 мм) после одиночного импульса концентрации Na⁺ и К⁺ изменяются примерно на 1%. Это приводит к снижению потенциала покоя примерно на 0,3 мВ, а при прохождении подряд 10 ПД – на 2 мВ. Значит, очень важно, чтобы концентрации Na⁺ и К⁺ в аксоплазме аксонов малого диаметра достаточно быстро восстанавливались с помощью активного транспорта, иначе изменения ионных концентраций будут суммироваться и приведут к значительному изменению концентрационных градиентов.

Здесь важно понять, что активный транспорт ионов через мембрану, осуществляемый за счет энергии обменных процессов, не отвечает непосредственно за фазы деполяризации и реполяризации ПД, но необходим для поддержания ионных концентрационных градиентов, которые ответственны за возникновение мембранных токов.

 

 

5.7. Другие электровозбудимые каналы

 

С тех пор как Ходжкин и Хаксли выдвинули свою ионную гипотезу возбуждения, согласно которой в аксоне кальмара существуют каналы, избирательно пропускающие натрий и калий, стало ясно, что практически во всех клетках имеются и другие типы каналов. Так, во многих возбудимых клетках обнаружено несколько разновидностей электроуправляемых каналов, избирательно проницаемых для кальция. Эти кальциевые каналы (см. табл. 5–1) во многих отношениях более важны для функционирования клеток, чем натриевые. Последние выполняют в основном следующие функции: 1) обеспечивают проведение импульсов; 2) участвуют в деполяризации мембраны и тем самым – в активации кальциевых каналов. Что же касается кальциевых каналов, то они полностью или частично обусловливают регенеративный деполяризующий ток в мышечных волокнах ракообразных, в гладкомышечных клетках, в телах, дендритах и синаптических окончаниях многих нервных клеток, в эмбриональных клетках и у таких инфузорий, как Paramecium ( и это всего лишь несколько примеров клеток с такими каналами). В большинстве подобных мембран носителями входящего тока являются и Са^2 + , и Na ⁺ , и лишь в нескольких случаях  – исключительно Са^2 + . Как правило, кальциевый ток недостаточно велик для того, чтобы без участия натриевого тока мог возникнуть регенеративный ПД. Поэтому в большинстве мембран с кальциевым током передний фронт ПД создается преимущественно мощным натриевым током, который прежде всего обеспечивает быструю деполяризацию мембраны. Эта деполяризация активирует кальциевые каналы, открывающиеся более медленно и не в столь большом количестве. Входящий по этим каналам кальций часто играет роль посредника (гл. 9), например инициирует высвобождение медиаторов из синаптических окончаний (разд. 6.6). Характерно, что в большинстве аксонов кальциевого тока нет, и входящий ток обеспечивается срабатыванием исключительно более быстрых натриевых каналов, работающих в импульсном режиме. Эти каналы в данном случае обеспечивают только быструю «импульсную» передачу потенциалов действия по аксонам. В ходе эмбрионального развития прежде всего появляются именно кальциевые каналы, а натриевые начинают работать на более поздних стадиях. Этот факт, а также преобладание кальциевых каналов у более низкоорганизованных существ типа простейших говорят о том, что в процессе эволюции натриевые каналы могли появиться позже и специально для проведения импульсов; кальциевые же каналы, регулирующие во многих клетках вход «посредника»  – ионов Са^2 +, – очевидно, более древние.

Большинство разновидностей кальциевых каналов существенно отличаются от натриевых тем, что у них не наступает полная инактивация (т. е. они не закрываются) даже при длительной деполяризации. Однако имеются кальциевые каналы, у которых вероятность инактивации возрастает при повышении внутриклеточного содержания свободного Са²⁺. Значит, при длительной деполяризации кальциевый ток частично подавляется из–за того, что содержание Са²⁺ у внутренней поверхности мембраны возрастает. Однако в клетке существуют своего рода «кальциевые буферы» – кальцийсвязывающие белки цитоплазмы (разд. 9.4); входящий кальций связывается с ними, и повышение его концентрации у мембраны становится гораздо менее существенным. Поэтому при длительной деполяризации Са^2 + – ток может долго сохраняться на низком, но постоянном уровне (рис. 5–34), тогда как натриевый ток при такой деполяризации быстро и полностью подавляется (см. рис. 5–24). Постоянный кальциевый ток играет важную роль в функционировании сердечной мышцы (разд. 10.9). В большинстве случаев кальциевые каналы блокируются некоторыми двух– и трехвалентными катионами, в частности Со^2 + , Cd^2 + , Mn^2 + , Ni²⁺ и La³⁺ (см. табл. 5–1). Эти ионы конкурируют с Са²⁺ за анионные участки связывания в кальциевых каналах, через которые сами они не проходят. Напротив, ионы Sr²⁺ и Ва²⁺ , также конкурируя с кальцием, могут столь же хорошо, как и он (или еще лучше), проходить через эти каналы. Для примера можно привести высокоамплитудные регенеративные потенциалы действия, возникающие у Paramecium в растворе, содержащем барий (рис. 5–35,Б, слева), и гораздо более слабые градуальные ответы, обусловленные исключительно входом Са²⁺ (рис. 5–35,А, слева).

 

Рис. 5.34. Постоянный кальциевый ток в нейроне улитки.  А. Входящий ток (отклонение кривой вниз), возникающий в ответ на длительную (0,5 с) деполяризацию разной амплитуды (она указана слева). Начало и конец деполяризующего стимула обозначены стрелками. Длительность разрыва записи составляет 250 мс. Б.График зависимости позднего тока от мембранного , потенциала; ток измеряли через 200 мс после подачи постоянного деполяризующего импульса (интересно  I сравнить эту кривую с той, которая приведена на рис.Б в дополнении 5–4). Видно, что, когда мембранный потенциал лежит в диапазоне от –45 до –28 мВ, наблюдается небольшой кальциевый входящий ток. При более положительных значениях потенциала этот ток уже не регистрируется, поскольку на него накладывается более мощный выходящий калиевый ток. (Eckert, Lux, 1976.)

 

Рис. 5.35. Поведение электровозбудимой мембраны инфузории Paramecium дикого типа (слева) и невозбудимой мембраны мутантной инфузории с нарушенной деятельностью кальциевых каналов (справа). А. В растворе, содержащем 1 мМ СаCl2, у инфузории дикого типа в ответ на деполяризующий ток возникают градуальные кальциевые потенциалы, а у мутантной – лишь электротонические ответы. Б. После добавления в раствор ВаCl2 до концентрации 4 мМ у инфузорий дикого типа возникают мощные «бариевые» ПД, подчиняющиеся принципу «все или ничего»; эти ПД обусловлены током ионов Ва2+   через кальциевые каналы. У мутантной же инфузории вновь наблюдаются лишь электротонические ответы. Нижние кривые на каждой записи —стимулирующий ток. (Kung, Eckert, 1972.)

 

 

Во многих тканях найдены особые калиевые каналы, активируемые деполяризацией мембраны при условии повышенной внутриклеточной концентрации Са²⁺ (табл. 5–1). Это означает, что, когда ионы Са²⁺ входят в клетку по кальциевым каналам и скапливаются у внутренней поверхности мембраны, они способствуют активации кальцийзависимых калиевых каналов в ответ на деполяризацию (pис. 5–36). Тем самым вход Са²⁺ усиливает выход положительно заряженных ионов К⁺ из клетки и благодаря этому ускоряет реполяризацию. В некоторых нервных клетках активация ионами Са²⁺ кальцийзависимых калиевых каналов приводит к медленной гиперполяризации мембраны, при которой мембранный потенциал приближается к равновесному калиевому потенциалу Е_к (рис. 5–37). Когда кальциевые каналы закрываются, уровень свободного Са²⁺ в цитоплазме снижается, поскольку эти ионы диффундируют от мест их проникновения в клетку и очень активно удаляются при участии кальцийсвязывающих белков и особых механизмов (разд. 9.4). Снижение концентрации Са^2 +приводит к тому, что кальцийзависимые калиевые каналы закрываются и гиперполяризация прекращается. Если подавить кальциевый ток с помощью какого–либо блокирующего агента (например, кобальта или кадмия), то медленно спадающей гиперполяризации, при которой мембранный потенциал неуклонно приближается к Е_к, не будет. Фаза реполяризации ПД в этих условиях будет определяться исключительно работой более быстрых потенциалзависимых калиевых каналов.

 

Рис. 5.36. Взаимоотношения между кальциевыми и Са2+–зависимыми калиевыми каналами, характерные длямногих возбудимых тканей. Цветные стрелки —отрицательная обратная связь. Накопление в клетке свободных ионов Са2+ при деполяризации приводит к активации некоторых Са2+–зависимых калиевых каналов, что в свою очередь вызывает активацию некоторых кальциевых каналов. Видно, что на каждом из этих этапов, начинающихся с повышения внутриклеточной концентрации кальция и заканчивающихся деполяризацией, существует отрицательная обратная связь, ограничивающая степень деполяризации. Она оказывает действие, противоположное действию положительной обратной связи (циклу Ходжкина), усиливающей степень деполяризации.

 

Рис. 5.37. Предполагаемая последовательность событий, приводящих к появлению пейсмекерных потенциалов в спонтанно «взрывных» нейронах моллюсков. Во время медленной деполяризации происходит увеличение gCa и появляется входящий Са2+   –ток. По мере повышения концентрации [Са2+] постепенно увеличивается Со2+–зависимая кальциевая проводимость gK(Ca) –  При этом мембранный потенциал начинает смещаться к Ек мембрана реполяризуется и кальциевая проводимость вновь снижается. Поскольку цитоплазма может играть роль кальциевого буфера, [Са2 +]; постепенно уменьшается gK(Ca), снижается и мембранный потенциал снова становится более отрицательным, чем Ек, т. е. мембрана деполяризуется. Это приводит к увеличению gCa и к запуску нового цикла. Когда амплитуда таких медленных деполяризующих пейсмекерных потенциалов превышает критический уровень, на их гребне возникают разряды ПД.  Для простоты на данном рисунке первый пейсмекерный потенциал изображен без потенциалов действия.

 

 

Итак, мы рассмотрим четыре типа потенциалзависимых ионных каналов. Каждый из этих каналов обладает сравнительно высокой избирательностью по отношению к тому или иному иону. Через натриевые и кальциевые каналы в норме течет входящий ток, а через потенциалзависимые и кальцийзависимые калиевые каналы – выходящий. Существуют и другие разновидности потенциалзависимых каналов, определяющих электрические свойства клеток; число их в разных возбудимых клетках и в разных частях этих клеток неодинаково.