A 20 Биотоки. Опыты Гальвани и Дюбуа-Реймона. Потенциал покоя и его природа. Мембранно-ионная теория Ю. Бернштейна. Условия и причины поляризации мембран. Величина МП в различных возбудимых тканях.

А. Наблюдение биоэлектрических явлений.

В конце XVIII в. (1786 г.) профессор анато­мии Болонского университета Луиджи Гальвани провел ряд опытов, положивших начало целенаправленным исследованиям биоэлект­рических явлений. В первом опыте, подвеши­вая препарат обнаженных задних лапок лягу­шек с помощью медного крючка на железной решетке, Л.Гальвани обнаружил, что всякий раз при касании мышцами решетки они от­четливо сокращались. Л.Гальвани высказал предположение о том, что сокращение мышц является следствием воздействия на них электричества, источником которого высту­пают «животные ткани» — мышцы и нервы. Однако другой итальянский исследователь — физик и физиолог Вольта оспорил это заклю­чение. По его мнению, причиной сокраще­ния мышц был электрический ток, возни­кающий в области контакта двух разнород­ных металлов (медь и железо — гальваничес­кая пара) с тканями лягушки. С целью про­верки своей гипотезы Л.Гальвани поставил второй опыт, в котором нерв нервно-мышеч­ного препарата набрасывался на мышцу стеклянным крючком так, чтобы он касался поврежденного и неповрежденного ее участ­ков. В этом случае мышца также сокраща­лась. Второй опыт Л.Гальвани считается опытом, в котором были получены абсолютные доказательства существования «животного электричества».

Б. Регистрация биоэлектрических явлений впервые осуществлена с помощью гальвано­метра, одна из клемм которого присоединя­лась к поврежденному участку мышцы, дру­гая — к неповрежденному [Маттеучи, 1838], при этом стрелка гальванометра отклоня­лась. Размыкание цепи гальванометра со­провождалось возвращением стрелки гальва­нометра в прежнее (нулевое) положение. В настоящее время существует много раз­личных вариантов регистрации биоэлектри­ческих явлений, но их можно объединить в

две основные группы: по местоположению электродов (внутриклеточное и внеклеточ­ное отведения) и по числу отводящих элек­тродов (монополярное, биполярное, мульти-полярное отведения). Электроды могут быть металлическими и стеклянными. В случае монополярного отведения один электрод ак­тивный, второй — индифферентный, его площадь в десятки раз больше активного электрода. При внутриклеточном отведении применяется стеклянный микроэлектрод,ко­торый представляет собой микропипетку с диаметром кончика 0,5—1 мкм (рис. 4.1, 2). Микроэлектрод заполняется 3 М КС1. В ши­рокую часть микроэлектрода вставляется се­ребряная проволочка, соединяемая с реги­стрирующим устройством. Индифферент­ным внеклеточным электродом является хлорированная серебряная пластинка. При внутриклеточном отведении клетка способ­на функционировать в течение нескольких часов. Микроэлектродный способ регистра­ции биопотенциалов обеспечил изучение механизмов создания электрических зарядов клеткой, возникновения возбуждения в жи­вых клетках. Однако еще задолго до появ­ления микроэлектродной техники (конец XIX в.) стало ясно, что «животное электри­чество» обусловлено процессами, происхо­дящими на клеточной мембране (Герман, Дюбуа-Реймон, Бернштейн). В настоящее время достаточно хорошо изучены механиз­мы формирования мембранного потенциала покоя (ПП) и потенциала действия (ПД), т.е. процесса возбуждения клетки.

В. Сущность процесса возбуждения за­ключается в следующем. Все клетки орга­низма имеют электрический заряд, обеспе­чиваемый неодинаковой концентрацией анионов и катионов внутри и вне клетки. Различная концентрация анионов и катио­нов внутри и вне клетки является следстви­ем работы ионных насосов и неодинаковой проницаемости клеточной мембраны для разных ионов. Однако свойства мембран возбудимых клеток существенно отличаются от таковых невозбудимых клеток. При дей-

и сокращения в мышце. Нарушение процес­сов возбуждения в кардиомиоцитах ведет к остановке сердца.

Согласно мембранно-ионной теории [Бернштейн, Ходжкин, Хаксли, Катц, 1902— 1952], непосредственной причиной формиро­вания ПП является неодинаковая концентра­ция анионов и катионов внутри и вне клетки (табл. 4.1).

ствии раздражителя на клетку возбудимой ткани изменяется проницаемость ее мембра­ны (обычно сначала для Na⁺ и быстро воз­вращается к норме, затем для К⁺ и быстро возвращается к норме), вследствие чего ионы быстро перемещаются согласно эле­ктрохимическому градиенту (совокупность концентрационного и электрического гради­ентов) — это и есть процесс возбуждения. Его основой является потенциал покоя (мембранный потенциал).

A 21 Структура клеточных мембран и электролитный состав цитоплазмы, их роль в генезе мп. Натриево-калиевый насос. Ионные каналы мембран.

Структура биологических мембран. Фосфолипиды образуют двойной прерывистый слой. В этот слой включены белки, полярные группы которых сохраняют контакт с вод­ной фазой. Некоторые белки пронизывают мембрану насквозь, другие по­гружены в липидный бислой наполовину. Часть белков связана друг с другом; другие в большей или меньшей степени окружены липидами. Одни из них являются ионными каналами, другие со­держат боковые цепи гликозаминогликанов.

Гликокаликс. Поверхность мембраны покрыта гликокаликсом — трехмерной сетью нитей гликозаминогликанов, соединенных между собой при помощи кальциевых мостиков. Гликокаликс обеспечивает механичес­кую прочность мембраны, участвует в межклеточных взаимодействиях, рецепции, иммунологическом дифференцировании, разделяет молекулы веществ, контактирующих с клеткой, по величине и заряду.

Липиды. Молекулы липидов, образующих бислой, амфотерны. Сво­ими гидрофильными головками они обращены в сторону водных фаз (меж­клеточная жидкость и цитоплазма) и формируют внешнюю и внутреннюю поверхности мембраны. Важнейшей особенностью мембранных липидов является способность к перекисному окислению (ПОЛ) с образованием свободных радикалов.

Белки. Функциональное отличие мембраны одной клетки от мем­браны другой определяется наличием в ней специфических мембранных белков.

Белки, погруженные в фосфолипидный слой и пронизывающие его на­сквозь, называются внутренними мембранными белками, или белковыми ка­налами.

Другие белки — периферические — прикреплены к поверхности клетки.

С учетом выполняемых функций мембранные белки всех клеток делят на 5 классов: белки-насосы, белки-каналы, белки-рецепторы, ферменты и структурные белки.

Функции мембран. Важнейшими функциями клеточных мембран являются барьерная, биотрансформирующая, транспортная, рецепторная, генерация электри­ческих потенциалов и образование межклеточных контактов.

Белки-каналы представляют собой пути избирательного переноса ионов и заряженных молекул. Механизм переноса связан с конформацией белка-канала, в результате которой он открывается или закрывается. Взаимодействие рецептора с соответствующим ему лигандом инициирует закрытие или открытие связанного с рецептором ка­нала.

Ионоселективные каналы делят на химические и электрозависимые. В первом случае раздражителем является вещество (медиатор, гормон, ме­таболит, лекарственное средство), во втором — возникающее в непосредст­венной близости от электрозависимого канала возбуждение, т.е. потенциал действия.

Ионоселективные каналы в зависимости от скорости их активации и переноса ионов делят на быстрые (например, натриевые) и медленные (на­пример, калиевые, кальциевые).

Для каждого из переноси­мых через мембрану вида ионов существуют самостоятельные транспортные системы — ионные каналы (натриевые, калиевые, кальциевые, каналы для хлора), основные свойства и механизмы действия которых сходны. Ионный канал состоит из поры, воротного механизма, сенсора (индикатора), напря­жения ионов в самой мембране и селективного фильтра.

Мембранно-ионные механизмы происхождения потенциала покоя. Статическая поляризация характеризуется наличием постоянной раз­ности потенциалов между наружной и внутренней поверхностями клеточ­ной мембраны и цитоплазмой, равной —60—90 мВ и называемой мембран­ным потенциалом (МП), или потенциалом покоя. Мембранный потенциал легко обнаружить в следующем простом опыте. Когда кончик микроэлектрода находится в межклеточной жидкости, между ним и индиф­ферентным электродом (находится там же) разность потенциалов равна нулю. Это связано с тем, что межклеточная жидкость вследствие равнове­сия в ней суммы анионов и катионов электронейтральна. В момент, когда кончик микроэлектрода преодолевает клеточную мембрану и погружается в цитоплазму, луч на экране осциллографа быстро отклоняется вниз от нуле­вой отметки потенциала. Это свидетельствует о том, что между цитоплаз­мой и межклеточной жидкостью даже в состоянии покоя существует некая разность потенциалов.

Электрогенез процесса возбуждения. Одиночный цикл возбуждения характеризуется множеством признаков, из которых наиболее значимыми являются электрографические, электрохимические и функциональные.

Электрографические признаки. На экране осциллографа на большой развертке биоток имеет вид мно­гокомпонентного графика, в котором выделяют: изоэлектрическую линию (изолиния); предспайк; спайк (восходящая и нисходящая части, или перед­ний и задний фронты); отрицательный и положительный следовые потен­циалы. Кроме того, на графике отмечают критическую точку деполяриза­ции (КТД), так называемый овершут (линия нулевого потенциала), точку инверсии заряда и ряд других компонентов. При регистрации физиологических процессов на графической записи всегда должны присут­ствовать отметка раздражения, вызвавшего возбуждение, и отметка времени.

Электрохимические признаки. На протяжении одиночного цикла возбуждения мембрана последователь­но меняет свое электрохимическое состояние. Длительность его колеблется в различных клетках от 1—2 до нескольких десятков мс. Выделяют: а) статическую поляризацию – предшествующее собственно возбуждению состояния покоя; б) деполяризацию; в) реполяризацию; г) гипероляризацию.