- •Глава 1
- •1.1. Для чего нужна физиология животных
- •1.2. Физиология и медицина
- •1.3. Физиология и познание
- •1.4. Основные концепции физиологии
- •1.4.1. В основе любой функции лежит структура
- •1.4.2. Генетика и физиология
- •1.4.3. Принцип гомеостаза
- •1.5. Физиологическая литература
- •1.6. Резюме
- •1.7. Вопросы для повторения
- •Глава 2 Физические и химические концепции
- •2.1. Атомы, связи и молекулы
- •2.2. Свойства н, о, n и с как основа для возникновения жизни
- •2.3. Вода.
- •2.3.1. Молекула воды
- •2.3.2. Свойства воды
- •2.3.3. Вода как растворитель
- •2.4. Растворы и их коллигативные свойства
- •2.5. Растворы электролитов
- •2.5.1. Ионизация воды
- •2.5.2. Кислоты и основания
- •2.5.3. Биологическая роль рН
- •2.5.4. Уравнение Гендерсона–Хассельбаха
- •2.5.5. Буферные системы
- •2.6. Электрический ток в водных растворах
- •2.7. Ионная избирательность
- •2.8. Биологические молекулы
- •2.8.1. Липиды
- •2.8.2. Углеводы
- •2.8.3. Белки
- •2.8.4. Нуклеиновые кислоты
- •2.9. Резюме
- •2.10. Вопросы для повторения
- •4. Почему кислород играет столь важную роль в биологии?
- •Глава 3
- •3.1. Энергия: понятия и определения
- •3.2. Перенос химической энергии в системе сопряженных реакций
- •3.3. Атр и высокоэнергетическая фосфатная группа
- •3.4. Температура и скорость реакции
- •3.5. Ферменты
- •3.5.1. Специфичность фермента
- •3.5.2. Каталитическая активность
- •3.5.3. Температура и скорость реакции
- •3.5.4. Чувствительность к рН
- •3.5.5. Регуляция ферментативной активности
- •3.5.6. Кофакторы
- •3.5.7. Кинетика ферментативных реакций
- •3.5.8. Сродство между ферментом и субстратом
- •3.5.9. Подавление активности ферментов
- •3.6. Механизмы регуляции метаболизма
- •3.6.1. Генетическая регуляция синтеза ферментов
- •3.6.2. Метаболическое ингибирование по типу обратной связи
- •3.6.3. Активация ферментов
- •3.7. Образование атр в процессе метаболизма
- •3.8. Окисление, фосфорилирование и перенос энергии
- •3.8.1. Электронпереносящие коферменты
- •3.9. Цепь переноса электронов
- •3.10. Гликолиз
- •3.11. Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)
- •3.12. Эффективность энергетического метаболизма
- •3.13. Кислородная задолженность
- •3.14. Резюме
- •3.15. Вопросы для повторения
- •Глава 4
- •4.1. Состав мембран
- •4.2. Организация мембран
- •4.2.1. Простые модели бислоев
- •4.2.2. Жидкостно–мозаичная модель
- •4.2.3. Субъединичная модель
- •4.3. Физические основы проницаемости мембран
- •4.3.1. Диффузия
- •4.3.2. Трансмембранный поток
- •4.3.3. Осмос
- •4.3.4. Осмолярность и тоничность
- •4.3.5. Влияние электрических сил на распределение ионов
- •4.3.6. Доннановское равновесие
- •4.4. Осмотические свойства клеток
- •4.4.1. Стационарное состояние
- •4.4.2. Объем клеток
- •4.5. Механизмы пассивного транспорта
- •4.5.1. Простая диффузия через липидный бислой
- •4.5.2. Диффузия через мембранные каналы
- •4.5.3. Облегченная диффузия
- •4.6. Активный транспорт
- •4.7. Ионные градиенты как источники энергии в клетке
- •4.7.1. Симпорт (котранспорт)
- •4.7.2. Антипорт (контртранспорт)
- •4.8. Селективность мембран
- •4.8.1. Селективность к электролитам
- •4.8.2. Селективность к неэлектролитам
- •4.9. Эндоцитоз и экзоцитоз
- •4.10. Межклеточные контакты
- •4.10.1. Щелевые контакты
- •4.10.2. Плотные контакты
- •4.11. Эпителиальный транспорт
- •4.11.2. Транспорт воды
- •4.12. Резюме
- •4.13. Вопросы для повторения
- •Глава 5 Ионы и возбуждение
- •5.1. Мембранная теория возбуждения
- •5.2. Пассивные электрические свойства клеточных мембран
- •5.2.1. Проводимость мембраны
- •5.2.2. Емкость мембраны
- •5.2.3. Электротонический потенциал
- •5.3. Электрохимический потенциал
- •5.3.1. Уравнение Нернста
- •5.4. Потенциал покоя
- •5.4.1. Роль ионных градиентов и ионных каналов
- •5.4.2. Роль активного транспорта
- •5.5. Активные электрические процессы
- •5.6. Ионные основы потенциала действия
- •5.6.1. Общие свойства потенциала действия
- •5.6.2. Натриевая гипотеза
- •5.6.3. Натриевые каналы
- •5.6.4. Цикл Ходжкина
- •5.6.5. Калиевый ток
- •5.6.6. Ионные механизмы потенциала действия: краткая сводка
- •5.6.7. Изменение концентрации ионов во время возбуждения
- •5.7. Другие электровозбудимые каналы
- •5.8. Пейсмекерные потенциалы
- •5.9. Резюме
- •5.10. Вопросы для повторения
- •Глава 6 Распространение и передача нервных импульсов
- •6.1. Нервные клетки
- •6.1.1. Два основных типа электрических сигналов в нервных клетках
- •6.2. Пассивное распространение электрических сигналов
- •6.3. Распространение нервных импульсов
- •6.3.1. Скорость распространения нервных импульсов
- •6.3.2. Сальтаторное проведение
- •6.4. Представление о синапсах
- •6.5. Передача возбуждения в электрических синапсах
- •6.6. Передача сигналов в химических синапсах
- •6.6.1. Строение химических синапсов
- •6.6.2. Синаптические потенциалы
- •6.6.3. Синаптические токи
- •6.6.4. Потенциал реверсии
- •6.6.5. Постсинаптическое торможение
- •6.6.6. Пресинаптическое торможение
- •6.7. Постсинаптические рецепторы и каналы
- •6.8. Выделение медиаторов пресинаптическими окончаниями
- •6.8.1. Квантовое выделение медиаторов
- •6.8.2. Электросекреторное сопряжение
- •6.9. Синаптическая интеграция
- •6.9.1. Суммация
- •6.10. Функциональная пластичность синапсов
- •6.10.1. Гомосинаптическая модуляция
- •6.10.1.1. Облегчение
- •6.10.1.2. Посттетаническая потенциация
- •6.10.2. Гетеросинаптическая модуляция
- •6.11. Медиаторы
- •6.11.1. Биогенные амины
- •6.11.2. Аминокислоты
- •6.11.3. Нейропептиды
- •6.11.4. Эндогенные опиоиды
- •Подставив в это равенство выражения (1) и (2), получим
- •6.12. Резюме
- •6.13. Вопросы для повторения
Глава 6 Распространение и передача нервных импульсов
Нервные системы животных – это, несомненно, самые сложно организованные структуры, когда–либо существовавшие на Земле. Нервная система человека, например, состоит из 1010–1011 нейронов, а кроме того, из такого же или даже большего числа невозбудимых «опорных» клеток–сателлитов, которые называются глиальными клетками, или нейроглией. В ходе развития все эти клетки удивительным образом самоорганизуются во взаимодействующие цепи – нервные сети, из которых и состоит нервная система. Большинство нейробиологов считают, что в основе многих удивительных функций нервной системы, в том числе управления движениями, восприятия, научения и сознания, лежат физические или химические процессы, протекающие в нервных структурах. Стремление понять, каким образом деятельность нервной системы обеспечивает восприятие, научение, сознание и все другие проявления поведения животных, – это, несомненно, один из самых дерзких вызовов, который был брошен Природе человеком. Пока мы можем лишь гадать о том, удастся ли когда–либо свести сложные психические процессы к физическим и химическим закономерностям.
Несмотря на сложнейшую организацию нервной системы, многое о фундаментальных механизмах ее деятельности уже известно. Работа нервной системы в значительной степени зависит от электрической активности возбудимых нервных клеток– нейронов, число которых у животных, как мы уже отмечали, огромно. К счастью для нейробиологов, это не означает, что существует столь же большое разнообразие вырабатываемых ими сигналов. Иными словами, сложность нервной системы определяется не большим разнообразием нервных сигналов, участвующих в передаче информации, а огромным количеством и сложностью взаимодействий между нейронами. На самом деле «палитра» нервных сигналов, которые нейроны передают друг другу, весьма небогата. Более того, в основе всех этих сигналов лежат те механизмы, которые мы уже в значительной степени рассмотрели в гл. 5. К этим механизмам относятся: 1) запасание электрохимически энергии в виде концентрационных градиентов ионов по разные стороны клеточной мембраны; 2) высвобождение этой энергии в виде ионных токов, пpoникающих через селективные мембранные каналы специальными воротными механизмами; 3) пассивные электрические свойства мембраны (т. е. электрическая проводимость и емкость).
6.1. Нервные клетки
Нервные клетки различаются как по форме, так и по размерам (рис. 6–1). Их можно подразделять несколькими способами в зависимости от используемых морфологических особенностей. Один из важных критериев для такого разделения – это наличие или отсутствие у клеткиаксона (длинного нервна волокна). Знаменитый анатом Камильо Гольджи назвал нейроны с аксонами клетками типа I, а без аксонов – клетками типа II. Последние образуют связи лишь в пределах локальных нейронных контуров с непосредственно прилегающими к ним клетками.
|
Рис. 6.1. Четыре морфологические разновидности нейронов. В пределах каждой разновидности в свою очередь наблюдается значительное разнообразие. Нейроны А, Б, и В относятся к нейронам типа I по Гольджи, а нейрон Г (без аксона) к нейронам типа II. (Montagna, 1959.)
|
На рис. 6–2 схематично изображен мотонейрон (двигательный нейрон) позвоночных. Тела таких нейронов лежат в спинном мозге, а отростки иннервируют волокна скелетных мышц. Это – классический нейрон типа 1, специализированный для проведения возбуждения на большие расстояния и входящий обычно в состав контуров, объединяющих отдаленные структуры (рис. 6–3). На мембране дендритов (древовидных цитоплазматических выростов мембраны) и сомы (тела) таких нейронов оканчиваются отростки других нервных клеток. По аксону потенциалы действия (ПД) проходят от зоны генерации ПД, расположенной рядом с аксонным холмиком, к окончаниям, которые в нашем примере иннервируют мышечные клетки. Нейронные отростки – дендриты и аксоны – вырастают из сомы в процессе развития, и по ним идет медленный, но постоянный ток белков и других веществ, образующихся в теле клетки. Будучи отделенными от тела, эти отростки постепенно перерождаются и через несколько дней или недель погибают. У млекопитающих регенерация (восстановление) аксонов наблюдается только в периферических нервах; у низших же беспозвоночных регенерация и реиннервация мышц происходят довольно легко.
|
Рис. 6.2. Мотонейрон спинного мозга позвоночного. Указаны функции, выполняемые различными его частями. Направление передачи сигналов изображено цветными стрелками.
|
|
Рис. 6.3. Области возникновения градуальных и импульсных электрических сигналов в нейронной цепи: Градуальные потенциалы, возникающие в чувствительных окончаниях афферентных (чувствительных, сенсорных) нервных клеток в ответ на раздражитель, приблизительно соответствуют его величине и длительности, хотя они и не бывают строго пропорциональным амплитуде раздражителя и не повторяют его конфигурацию. Эти потенциалы распространяются по телу чувствительного нейрона и вызывают в его аксоне импульсные распространяющиеся потенциалы действия. Когда потенциал действия достигает окончания нейрона, происходит выброс медиатора, приводящий к появлению градуального потенциала в следующем нейроне. Если в свою очередь этот потенциал достигает порогового уровня, в этом постсинаптическом нейроне появляется потенциал действия или серия таких потенциалов. Таким образом в нервной цепи наблюдается чередование градуальных и импульсных потенциалов.
|
Функция нейрона зависит от его структуры и от свойств поверхностной мембраны. К этим свойствам в свою очередь относятся пассивные электрические характеристики –емкость и сопротивление (гл. 5), а также наличие различных ионных каналов с воротами, определяющими активное поведение мембраны. Эти ионные каналы распределены по поверхности нейрона неравномерно; они сосредотачиваются в различных его участках, выполняющих соответственно различные специализированные функции. Так, в мембране аксона встречаются преимущественно быстрые потенциалзависимые натриевые каналы, отвечающие за проведение нервных импульсов в большинстве нейронов (в частности, в нейронах типа I). В окончаниях аксона содержатся потенциалзависимые кальциевые каналы и другие специализированные структуры, отвечающие за выделение медиаторов во внеклеточную среду. Такое выделение происходит в области особых соединений синапсов, посредством которых нейроны передают сигналы на свои клетки–мишени. В мембране дендритов и сомы нервных клеток имеются каналы, активируемые теми медиаторами, которые выделяются окончаниями других нейронов. При активации этих каналов возникают постсинаптические токи; эти токи интегрируются (алгебраически суммируются), и в результате возникают постсинаптические потенциалы в дендритах, теле и аксонном холмике нейрона. Таким образом, различные отделы нейрона специализированы как с анатомической, так и функциональной точек зрения.
На долю глиальных клеток, или нейроглии, представленных различными типами клеток, приходится около половины общего объема нервной системы у позвоночных (у большинства беспозвоночных – меньше). Глиальные клетки заполняют все межнейронное пространство, за исключением очень узких (~ 20 нм) промежутков между этими клетками и мембранами нейронов.
В глиальных клетках иногда встречаются потенциалзависимые ионные каналы, однако обычно они не генерируют ПД. Таким образом, эти клетки электрически невозбудимы, и их роль в деятельности нервной системы долгое время оставалась неясной. Мембраны глиальных клеток высокопроницаемы для К+, и граничащие друг с другом глиальные клетки часто электрически сопряжены, что обеспечивает переход К+ от одной клетки к другой. Благодаря такому транспорту глиальные клетки могут снижать локально высокую концентрацию К+, которая создается в узких межклеточных промежутках, когда этот ион выходит из нейронов при возбуждении. В дальнейшем К+ медленно выделяется из глии и вновь захватывается нейронами. По–видимому, в этом заключается одна из функций глии по обеспечению деятельности нервных клеток. Поскольку потенциал покоя клетки частично зависит от внеклеточной концентрации К+ (см. рис. 5–13), электрическая регистрация потенциалов глиальных клеток оказалась удобным способом, позволяющим следить за изменением внеклеточной концентрации этого иона, происходящим при возбуждении нейронов. Деполяризация мембран глиальных клеток, обусловленная накоплением К+ во внеклеточной среде при возбуждении нейронов, сохраняется в течение нескольких секунд, и это указывает на удаление избыточного К+ из узких внеклеточных промежутков. Очевидно, по крайней мере отчасти калий удаляется через поверхностные мембраны как нервных, так и глиальных клеток. «Забуферирование» резких подъемов содержания К+ во внеклеточной жидкости, осуществляемое многочисленными глиальными клетками, препятствует накоплению этого иона во внеклеточном пространстве. Если бы этого не было, то из–за повышения концентрации К+ во внеклеточной среде нейроны сильно деполяризовывались бы, а это нарушало бы такие функции, как генерация нервного импульса и выделение медиаторов в синапсах. Глиальные клетки не только служат «буферами калия», но также обеспечивают нейронам структурную и, возможно, метаболическую поддержку. Как мы вскоре увидим, глиальные клетки двух типов – шванновские клетки и олигодендроциты – еще и образуют вокруг аксона изолирующую оболочку.