4.5. Блокаторы ионных каналов

Существует довольно много веществ, способных обратимо или необратимо связываться с молекулами канальных белков и, тем самым, блокировать их, т.е. выводить из подчинения управляющим механиз­мам. Блокированные каналы чаще всего оказываются закрытыми, хотя в некоторых случаях фиксируется открытое положение канала.

Блокировать каналы способны многие из давно известных ядов животного или растительного происхождения. Так, например, во внутренностях некоторых сростночелюстных рыб (Tetrodontiformes) содержится тетродотоксин, блокирующий натриевые каналы. К это­му отряду относится печально знаменитая рыба фугу, унёсшая жиз­ни немалого количества гурманов, а также плавающая в водах зали­ва Петра Великого собака-рыба, способная раздуваться и издавать при этом довольно громкие звуки. Тетродотоксин достаточно давно применяется в экспериментальной практике, связанной с исследова­нием мембранной проницаемости.

Натриевые каналы может блокировать и другой животный яд - батрахотоксин, который содержится в слизи некоторых южноамери­канских лягушек, например, пятнистого древолаза. Этим ядом ин­дейцы отравляли свои стрелы, хотя и не догадывались, что батрахо­токсин блокирует натриевые каналы, а такая блокада не позволяет нервным клеткам возбуждаться.

Другие южноамериканские индейцы готовили отравленные стре­лы с помощью другого яда, растительного - это древесный сок кура­ре, добываемый из некоторых видов лиан. Яд кураре избирательно блокирует хемозависимые каналы нервно-мышечных синапсов. Эти же синапсы необратимо блокирует змеиный яд альфа-бунгаротоксин, который выделяют при укусе бунгары, они же крайты - близкие родственники кобр.

Вещество искусственного происхождения - тетраэтиламмоний специфически блокирует калиевые каналы; его часто использовали в экспериментальной практике. А в медицине применяют многие ле­карственные вещества, точкой приложения которых являются ионные каналы: с помощью таких веществ можно управлять определёнными ионными каналами и тем самым влиять на активность нейронов.

4.6. Мембранный потенциал покоя

В покое на наружной стороне плазматической мембраны распо­лагается тонкий слой положительных зарядов, а на внутренней сто­роне - отрицательных. Электрический заряд наружной поверхности принято считать нулевым, поэтому трансмембранная разность потен­циалов или мембранный потенциал покоя имеет отрицательное зна­чение. В типичном для большинства нейронов случае потенциал по­коя равен приблизительно -60 —70 мВ.

Техника прямого измерения потенциала покоя была создана в конце 40-х годов XX века. Был изготовлен специальный измеритель­ный электрод: тонкий стеклянный капилляр с оттянутым кончиком диаметром не более 1 мкм и заполненный проводящим электриче­ский ток солевым раствором (ЗМ КС1), который не изменяет внут­ренний заряд мембраны. В этот раствор с широкого конца капилляра вставляли металлический проводник, а тонким концом протыкали клеточную мембрану. Второй электрод представлял собой хлориро­ванную серебряную пластинку и помещался во внешнюю среду; использовались усилитель слабых электрических сигналов и гальвано­метр (рис. 4.5). Объектом исследования был гигантский аксон каль­мара, именно на нём удалось получить данные, послужившие осно­вой для мембранной теории (Hodgkin & Huxley).

К ак же возникает мембранный потенциал покоя? Прежде, чем ответить на этот вопрос, следует ещё раз напомнить, что работой на­трий-калиевого насоса в клетке создаётся высокая концентрация ионов калия, а в клеточной мембране для этих ионов есть открытые каналы. Выходящие из клетки по концентрационному градиенту ионы калия увеличивают количество положительных зарядов на наружной поверхности мембраны. В клетке много крупномолекулярных органических анионов и потому изнутри мембрана оказывается заряжен­ной отрицательно. Все остальные ионы могут проходить через по­коящуюся мембрану в очень небольшом количестве, их каналы, в основном, закрыты. Следовательно, потенциал покоя обязан своим происхождением, главным образом, току ионов калия из клетки.

Это заключение достаточно просто проверить эксперименталь­но. Если, например, искусственно повысить концентрацию ионов ка­лия вокруг клетки, то их ток из клетки уменьшится или даже вовсе прекратится, поскольку уменьшится концентрационный градиент - движущая сила для этого тока. И тогда начнёт уменьшаться потенци­ал покоя, он может сделаться равным нулю, если концентрация калия по обе стороны мембраны окажется одинаковой. Есть ещё одна воз­можность доказать калиевую природу потенциала покоя. Если блоки­ровать калиевые каналы тетраэтиламмонием, то ток ионов калия пре­кратится, а вслед за этим начнёт уменьшаться потенциал покоя.

Мембрана находящейся в покое клетки пропускает в небольшом количестве ионы натрия и хлора. Две силы гонят ионы натрия в клет­ку: высокая наружная концентрация и электроотрицательная внут­ренняя среда клетки. Даже небольшое количество вошедшего в клет­ку натрия приводит к деполяризации мембраны - уменьшению по­тенциала покоя. Ионам хлора попасть в клетку труднее, поскольку их отталкивает электроотрицательный слой зарядов на внутренней поверхности мембраны, а значение равновесного потенциала хлора -60 мВ мало отличается от нормальной величины потенциала покоя Связь между избирательной проницаемостью мембраны для каждо­го из трех видов ионов и их концентрациями описывает уравнение Гольдмана:

где Е_т - значение мембранного потенциала, Р - проницаемость мем­браны, зависящая от ее толщины и подвижности в ней иона, а - кон­центрация иона снаружи, /-концентрация его изнутри, /?, Тн Fиме­ют то же значение, что и в уравнении Нернста.

Из этого уравнения следует, что реальное значение потенциала покоя (Е_т - - 65 мВ) является компромиссным между равновесными потенциалами калия (- 75 мВ), натрия (+ 55 мВ) и хлора (- 60 мВ) Нетрудно предсказать, что повышение проницаемости мембраны для натрия приведет к деполяризации, а увеличение ее проницаемости для хлора - к гиперполяризации.

Если принять за 1 проницаемость мембраны в покое для ионов калия, то проницаемость её для ионов натрия составит 0,04, а для хлора - 0,45. Но при возбуждении мембраны это соотношение изме­няется и на вершине пика потенциала действия составляет 1 (К): 20 (Na) : 0,45 (С1).