Биоэлектрические явления в живых тканях. Строение мембраны. Функции мембранных белков. Ионные каналы.

Раздражимость - способность отвечать на действие раздражающих факторов изменением структурных и функциональных свойств. Раздражимостью обладают все тка¬ни животных и растительных организмов.

Возбуди¬мость - способность ткани отве¬чать на раздражение специализированной реакцией — воз¬буждением.

Возбуждение — специализированная ответная реакция жи¬вого объекта на действие раздражителя, проявляющаяся в определенных изменениях его обменных, тепловых, электри¬ческих, морфологических и функциональных параметров. Возбудимостью обладают нервная, мышечная и железистая ткани; их объединяют понятием «возбудимые ткани». Для них специализированными ответными реакциями будут соответ¬ственно генерация и проведение возбуждения, сокращение, секреция. Возбудимость различных тканей неодинакова.

Ме¬рой возбудимости является порог раздражения — минималь¬ная сила раздражителя, которая способна вызвать возбужде¬ние (ответную реакцию). Менее сильные раздражители назы¬ваются подпороговыми, а более сильные — сверхпороговыми. Раздражителем живого объекта может быть любое изменение внешней или внутренней среды организма, если оно доста¬точно велико, возникло достаточно быстро и продолжается достаточно долго.

В состоянии покоя между наружной и внутренней поверхностя¬ми мембраны клетки существует разность потенциалов, кото¬рая была названа мембранным потенциалом покоя (МПП) или мембранным потенциалом (МП). Его величина у разных кле¬ток колеблется от 60 до 90 мВ,-

Гипотезы об ионной природе МПП были сформулированы В.Ю. Чаговцем (1896), Ю. Бернштейном (1902), привлекав¬шим к объяснению причин возникновения МПП теорию электролитической диссоциации Аррениуса, представления о роли клеточных мембран и различных ионов. В 1949—1952 гг. Ходжкин, Хаксли, Катц модифицировали существовавшие ранее концепции и экспериментально обосновали основные положения мембранно-ионной теории. Согласно этой теории, возникновение МП обусловлено неодинаковой концентра-цией прежде всего ионов Na+, К+, Са2+, С1 внутри клетки и во внеклеточной среде, а также неодинаковой проницаемо¬стью для этих ионов поверхностной мембраны клетки.

Цитоплазма нервных и мышечных клеток содержит в 30— 50 раз больше К+, в 8—10 раз меньше Na+ и в 20 раз меньше С1~, чем внеклеточная жидкость. Следовательно, в состоянии покоя существует асимметрия концентрации ионов внутри клетки и в окружающей ее среде.

Клетку ограничивает тончайшая оболочка толщиной 6— 12 нм — поверхностная мембрана, или плазматическая мем¬брана, или плазмалемма. В ее состав входят липиды (в основном фосфолипиды), белки (в основном гликопротеины) и углеводы (в основном мукополисахариды). Согласно общепринятой трехмерной жидкостно-мозаичной модели мембраны Сингера—Николсона (1972), ее основу, матрикс, образует двойной слой фосфолипидов. Механиче¬скую прочность липидных слоев мембраны увеличивает холестерол, связывающийся с полярными головками фосфоли¬пидов. В фосфолипидный матрикс полностью (т.е. пронизы¬вая его насквозь) погружены молекулы белков — интеграль¬ные белки. Другая группа мембранных белков, которые также частично погружены в мембрану и связаны с ее внешней или внутренней поверхностями, называется поверхностными белками. Интегральные белки выполняют функцию ионных каналов и насосов — переносчиков веществ через мембрану и наряду с поверхностными белками — функции рецепторов химических раздражителей (гормонов, медиаторов, антиге¬ном) и редко — ферментов. Функции поверхностных белков более многочисленны: рецепторные, ферментативные, структурные, сократительные, адгезивные, медиаторные (и качестве вторичных посредников). Углеводы в виде олигосахаридных цепей присоединены к белкам (гликопротеины) и липидам (гликолипиды) и создают на наружной поверхности мембран разветвленную сеть рецепторов, участву¬ющих в процессах определения специфичности белковых и к МП очных структур.

Мембраны выполняют следующие функции:

• барьерную, отделяющую внутреннюю среду клетки от окружающей среды, что обеспечивает клетке относи-тельное постоянство состава цитоплазмы, определенный уровень ионной асимметрии с внешней средой, участие в генерации электрических явлений;

• транспортную, связанную с движением ионов через мембрану, т.е. с формированием ионных токов через ионные каналы, насосы и ионообменники;

• рецепторную, благодаря которой клетка реагирует на сигналы внешней среды или изменения состава внутрен¬ней среды;

• регуляторную, включающую тонкие изменения активно¬сти внутриклеточных ферментных систем в связи с дей¬ствием биологически активных веществ;

• контактную, благодаря которой обеспечивается механи¬ческая связь между клетками, а также их функциональ¬ное взаимодействие;

• информационную, выражающуюся в передаче химиче¬ских, электрических, электромагнитных сигналов от од¬ной клетки к другой.

Ионные каналы мембраны делят на неспецифические (низ¬коселективные — каналы утечки) и специфические или высо¬коселективные, обладающие способностью пропускать толь¬ко определенные ионы. Неспецифические каналы пропускают различные ионы и открыты постоянно. Специфические кана¬лы открываются и закрываются в ответ на изменения МП (эти каналы называются потенциалозависимыми) или в ответ на действие химических веществ (хемозависимые каналы), или в ответ на механическую деформацию мембраны (механочувствительные каналы).

Структурной основой канала является белок, имеющий третичную или четвертичную организацию. Он образует ан¬самбль из нескольких субъединиц или повторяющихся доменов одного белка. Каждый домен имеет трансмембранные сегменты, состоящие из определенных последовательностей аминокислот. Субъединицы, или домены, образуют цилиндр, имеющий пору. В структуре канала выделяют наружное и внутреннее устья, свойства белка которых обеспечивают се¬лективность канала.

Селективные потенциалозависимые ионные каналы по¬дразделяют на натриевые, калиевые, кальциевые и хлорные. Канал состоит из собственно канала (транспортной части) и воротного механизма («ворот»), который управляется элект¬рическим полем мембраны. В каждом канале пред¬полагают наличие двух типов «ворот»: быстрых, или активационных (М), и медленных, или инактивационных (h). «Воро¬га» могут быть открыты или закрыты. Например, в состоянии покоя клетки в натриевом канале «ворота» m закрыты, а «во¬рота» h открыты. При уменьшении заряда мембраны (деполя¬ризации) «ворота» М открываются и канал переходит в про¬водящее состояние, т.е. через него начинают проходить под действием сил концентрационного и электрохимического градиентов ионы натрия. Затем при достижении процессом деполяризации определенного момента закрываются инактивационные «ворота» и канал перестает пропускать ионы, т.е. он инактивируется. По мере восстановления МП (реполяризация) инактивационные «ворота» медленно открываются, а активационные быстро закрываются и канал возвращается в свое исходное функциональное состояние. Активированный натриевый канал пропускает 6000 ионов в 1 мс. Суммарный ионный ток достаточно велик, так как активируется большое число натриевых каналов.

• Хемозависимые селективные каналы входят в состав мем¬бранных рецепторов, на которые действуют химические по¬средники передачи информации в синапсе (медиаторы), ле¬карственные вещества, антигены и токсины.

• Механочувствительные селективные каналы реагируют на механическую деформацию мембраны изменением проницае¬мости каналов к различным катионам и анионам.

• Установлено, что каждый вид селективного канала по сво¬им свойствам может быть дифференцирован еще на несколь¬ко типов. Так, потенциалозависимые натриевые каналы делят на каналы быстрого, медленного и сверхмедленного токов, что обеспечивает участие натриевых каналов в формировании различных процессов на мембране клетки.

• Хемочувствительные натриевые каналы различают по чув¬ствительности к медиаторам (Н — холинорецептивный, глутаматчувствительный, НМДА-рецептивный) и селективности к различным ионам.

• Потенциалозависимые калиевые каналы делят на каналы раннего входящего тока, каналы задержанного выпрямления, каналы аномального выпрямления. Хемочувствительные кали¬евые каналы представлены М-холинорецептивными, Са2+-зависимыми и №+-зависимыми типами.

• Потенциалозависимые кальциевые каналы, увеличивая по¬ступление Са2+ в клетку, обеспечивают сопряжение электри¬ческих мембранных процессов с метаболическими процесса¬ми. Различают каналы L-muna (медленные Са2+-каналы) — участвуют в формировании электрических процессов на мем¬бране мышечных и нервных клеток; каналы Т-типа участву¬ют в формировании автоматии гладкомышечных и атипич¬ных клеток миокарда, каналы Н-типа и Р-типа участвуют в освобождении медиатора из синаптических окончаний в мышцах и нервных клетках.

• Хлорные каналы представлены в мембранах эритроцитов, сердечных и скелетных миоцитов, в синапсах различных от¬делов нервной системы. Потенциалозависимые хлорные кана¬лы участвуют в процессах генерации электрических измене¬ний на мембране, например укорачивают фазу реполяризации мембраны. Хемозависимые хлорные каналы входят в состав тормозных синапсов нервной системы: ГАМК-рецептивных и глицин-рецептивных.