1. Мембранний потенціал і його походження

   1. Сучасні уявлення про будову та функцію клітинних мембран

Клітини живих організмів під впливом факторів зовнішнього та вну­трішнього середовища переходять із стану фізіологічного спокою в стан активності. Цю їх властивість називають подразливістю. Крім цього клі­тини деяких тканин здатні не просто активуватися, а - генерувати у від­повідь на дію зовнішніх подразників спеціалізовані коливання електрич­ного потенціалу їх зовнішньої мембрани¹. Такі тканини називають збудли­вими. До збудливих тканин відносять нервову, м’язову та залозисту ткани­ни. Оскільки генерація електричних потенціалів пов’язана із особливостя­ми клітинних мембран, то спочатку розглянемо її структуру і функції.

Зовнішня клітинна мембрана або плазмолемма складається з двох шарів молекул ліпідів (переважно фосфоліпідів) та білків, молекули яких пронизують наскрізь обидва шари ліпідів або фіксуються на поверхні зов­нішнього шару чи виступають всередину клітини. За хімічною структурою більшість білків є глікопротеїдами. Товщина плазмолемми складає 7,5-10 нм (10 ⁹м). Вона виконує такі функції:

Інтегральні

^Шліси ' . І ’ . . % Вугпє-йоли

V ■- І'-'^• ^;Г•- - ^{7 ;} ~"'д- .■-*^Дл. У ■; у ,.Т>;Ус >Д 1:. Д: ДЛГ/-- гОТ~.У'" • ' • ■ ■^; - У- ■

■' ДДуідДДШДуЩіШДД^ОТДООТ

і уїуЬ^;Лу ЛЛ У^Рл;ЙГ^Г^л тТ:Щ_г;^Тт^^ УУ ГТ^Л^ Л^:^у^: ЛШ'^с;У; •

Мад.2. Будова клітинної мембрани

Назовні

Ворота закри' *

Ворота

відкриті

Всередину

закриті

Ворота відкриті -

Всередину

Мал.З. Пасивний транспорт натрію і калію через іонні канали мембран

В структурі клітинних мем­бран виявлені специфічні канали, через які транспортуються іони та молекули. Ці канали, як прави­ло, розміщені у місці вкраплення білків всередину біліпідного шару. Вони є високоселективними, тоб­то через кожний з таких каналів транспортується лише певний вид іонів чи молекул. Канали мо­жуть бути відкритими чи закри­тими, що залежить від конформа- ційних змін білкових молекул. Так, добре вивченими є натрієві та калієві канали. Натрієві канали мають діаметр 0,3-0,5 нм, їх вну­трішня поверхня негативно заря­джена по відношенню до зовніш­ньої; калієві канали вужчі - їх діа­метр складає 0,3 нм , а заряду во­ни не мають.

В залежності від того, який механізм контролює стан воріт іонних каналів, розрізняють по.- тенціалозалежні та хемочутливі канали. У потенціалозалежних каналів ворота реагують на різницю елек­тричних потенціалів по обидва боки мембрани, а у хемочутливих - на при­єднання до білкових молекул фізіологічно активних речовин. Стан воріт змінюється дуже швидко: за мільйонні частки секунди.

2. Транспорт речовин через мембрану та його механізми

Назовні Транспорт речовин через клі­

Всередину

тинну мембрану здійснюється двома способами: пасивно та активно. До пасивного транспорту відносять просту та полегшену дифузію, філь­трацію та осмос.

• Проста дифузія завжди здій­снюється за рахунок концентрацій­ного градієнту. Полегшене! дифузія поряд з цим вимагає ^участі специ­фічного білка-переносника.

• Фільтрація - транспорт ріди­ни через напівпроникну мембрану завдяки градієнту тисків.

• Осмос - рух молекул розчинни­ка через напівпроникну мембрану в сторону розчину більшої концентрації.

Мал.4. Активний натрієво- калієвий насос

Активний транспорт - це переміщення речовини проти кон­центраційного та електрохімічного градієнту, яке відбувається за раху­нок використання енергії. А Гф.; Поки ідо найкраще досліджено взаємозалежний транспорт іонів Ца та К, який називають натрієво-калієвим насосом. Цей насос працює з участю глобу­лярного білка з молекулярною масою близько 100000 в.о. Білок має 3 ді­лянки для зв’язування на_ внут­

Напрям руху молекул води Мал.5. Механізм осмосу

рішній поверхні та дві ділянки для зв’язування К⁺ на зовнішній поверх­ні. При гідролізі АТФ звільняється енергія, яка зумовлює конформацій- ні зміни білка. При цьому із клітини виводиться 3 іони №⁺ в обмін на 2 іони К⁺, які транспортуються в клі­тину. За допомогою такого насоса ст­ворюється висока концентрація №⁺ в позаклітинній рідині і висока концен­трація К⁺ всередині клітини. Цікаво зазначити, що близько 30% енергії, яку споживає людина, витрачається на роботу №-К насоса. Останнім ча­сом інтенсивно вивчаються також Оа-насоси. які забезпечують виве­дення Са⁺² з клітини, і завдяки яким концентрація Са⁺² всередині клітини в десятки тисяч разів мен­ша, ніж у міжклітинній рідині.

3. Іонні градієнти клітини. Формування мембранного потенціалу спокою

Завдяки бар’єрній функції клітинної мембрани та пасивному і ак­тивному транспорту речовин створюється різниця у складі внутрішньоклі­тинної та міжклітинної рідини. Зокрема,_ концентрація Na⁺ в клітині при­близно в 10-14 разів менша, ніж в міжклітинній речовині, К⁺ - в 30-35 ра­зів більша; Са⁺² - в 20000-25000 разів менша; СІ - в 20-25 разів менша. Саме названі іони грають головну роль в формуванні електричного потен­ціалу мембрани.

Вольтметр

Нервове волокно

Мал.6. Визначення мембранного потенціалу спокою

Навіть у стані фізіоло­гічного спокою існує різни­ця потенціалів між внут­рішньою і зовнішньою по­верхнею мембрани, причо­му внутрішня сторона заря­джена негативно по відно­шенню до зовнішньої. Цей потенціал називають мем­бранним потенціалом спо­кою. Його величина у нер­вових і м’язових клітинах ко­ливається від -50 до -100 мВ (виняток становлять глад- ком’язеві клітини, потенці­ал спокою яких складає близько -ЗО мВ). Експери­ментально виявити і вимі­ряти потенціал спокою мо­жна за допомогою мікро- електродної техніки. Датчи­ком, який виявляє електричний потенціал в клітині, є дуже тонкий скля­ний капіляр (діаметром приблизно Імкм), заповнений розчином електро­літу (найчастіше КС1). Індиферентним електродом служить срібна пластин­ка. На початку реєстрації обидва електроди знаходяться в міжклітинному середовищі і різниці потенціалів між ними немає. Як тільки капіляр з електролітом проколює клітинну мембрану і попадає всередину клітини, вольтметр показує стрибкоподібний зсув потенціалу до величини - 80 мВ.

Розглянемо механізми формування потенціалу спокою. Основним іоном, який має відношення до формування цього потенціалу, є іон К⁺. Справа в тому, що мембрана не є повним ізолятором, а в деякій мірі про­никна для певних іонів. Так, в стані спокою мембрана найбільш проникна для іонів К⁺. Оскільки, завдяки роботі K-Na насосу, концентрація К⁺ в клі­тині набагато більша, ніж назовні, то за рахунок простої дифузії спостері­гається вихід іонів К⁺ із клітини. Це, в свою чергу, призводить до накопи­чення на зовнішній стороні мембрани додаткового позитивного заряду (оскільки катіони К⁺ є носіями позитивних зарядів). Цей вихідний потік К⁺ із клітини повинен був би незабаром вирівняти концентрацію калію по

обидві сторони мембрани, але цьому протидіють електростатичні сили, зу­мовлені електричним зарядом катіонів. Позитивний заряд відштовхує ка­тіони К⁺ від мембрани. Мембранний потенціал наростає до тих пір, поки сили дифузії не зрівняються з електростатичними. Тому потенціал мем­брани, зумовлений дифузією Гонів К+ , називають калієвим рівноважним потенціалом (скорочено Е_к).

Величина цього потенціалу описується рівнянням Нернста:

Е.=-61 Ід\'' де

Сі - концентрація іона всередині клітини, С2 - концентрація іона в міжклітинному середовищі;

Розрахований за цією формулою мембранний потенціал все ж таки більший від реально виміряного в експерименті на величину порядку -10- 15 мВ. Це означає, що крім К⁺ в формуванні цього потенціалу беруть участь й інші іони. Зокрема, такими іонами є аніони СІ , які дифундують всередину клітини завдяки концентраційному градієнту. Роль іонів хлору в створенні мембранного потенціалу спокою незначна в нервових клітинах, але є досить суттєвою в м’язових клітинах, мембрани яких майже однаково про­никні, як для катіонів К⁺, так і для аніонів СІ . Певну роль у величині мем­бранного потенціалу сп’окою відіграє і пасивний вхід ІЧа⁺ в клітину.

Таким чином, мембранний потенціал спокою формується завдяки різним механізмам. Основним із них є дифузія К⁺ із клітини назовні. Зга­даймо, що ця дифузія можлива тільки завдяки роботі активного №-К на­соса, який створює асиметрію іонів по різні сторони клітинної мембрани.

4. Потенціал дії та його фази

При збудженні клітини на її мембрані генеруються короткочасні змі­ни мембранного потенціалу, які називають потенціалом дії (ПД]. В нерво­вих і м’язових клітинах ці потенціали можна зареєструвати з допомогою

мікроелектродної техніки. На мал.5 показаний типо­вий ПД нервової клітини. Розрізняють декілька фаз ПД.

• Мс

  Перша фаза - фаза деполяризації - триває 0,2-0,5 мс. В цій фазі плазмолемма втрачає свій нормальний заряд (або по­ляризацію). Як правило деполяризація переходить за нульову лінію і мем­бранний потенціал стає по­зитивним. Величина пози­тивного піку(овершуту) складає близько ЗО мВ.

• Мал.7. Потенціал дії та його фази

  Друга фаза - фаза реполяризації, в якій мем­бранний потенціал повер­

тається до його значення в стані спокою. Її тривалість 0,4-0,8 мс.

• Третя фаза - фаза слідових потенціалів включає: фазу слідової де­поляризації і фазу слідової гіперполяризації. Гіперполяризацгя - це збіль­шення різниці мембранного потенціалу між зовнішньою та внутрішньою сторонами мембрани в порівнянні з потенціалом спокою, деполяризація - зменшення мембранного потенціалу. Ця фаза в цілому триває 2-3 мс.

Загальна тривалість потенціалу дії складає: в нервах близько 1 мс; в нейронах - 2-4 мс; в скелетних м’язах - близько 10-20 мс; в кардіоміоциті - 200-300 мс.

Розглянемо іонні механізми потенціалу дії.

В фазі деполяризації під впливом подразника відкриваються №-ка- нали, завдяки чому в декілька тисяч разів збільшується проникність мем­брани для іонів №⁺. Оскільки концентрація іонів натрію в міжклітинному се­редовищі в десятки разів більша, ніж в клітині, то цей іон лавиноподібно вхо­дить всередину клітину і зумовлює реверсію мембранного потенціалу.

В фазі реполяризації інактивуються натрієві канали і відкривають­ся калієві канали, внаслідок чого різко зростає проникність мембрани для іонів К⁺. Це призводить до відновлення мембранного потенціалу.

Причиною слідових потенціалів є подальші незначні зміни проникли­вості мембрани для натрію (слідова деполяризація) і для калію (слідова гі- перполяризація).

5. Дія постійного струму на збудливі тканини

В експерименті потенціал дії в збудливих клітинах найлегше можна викликати з допомогою постійного струму. Цей подразник є найбільш адекватним для тканин організму. Тому зупинимося більш детально на особливостях впливу постійного струму на збудливі тканини. Для того, щоб викликати ПД, постійний струм має мати достатню силу , діяти про­тягом певного часу і мати достатню крутизну наростання. Крім цього має значення, який із електродів - катод чи анод - прикладений до зовнішньої поверхні мембрани.

Мал.8. Співвідношення локальної відповіді та потенціалу дії

Постійний струм викликає ТЩ в тому разі, якщо деполяри­зація досягає повної величини, яку назива­ють критичним рівнем деполяризації. Струм такої сили називають пороговим_ подразни­ком. ПД, що виникає при цьому, здатний поширюватися по мем­брані клітини на ве­ликі відстані і підля­гає закону “все або ні­чого”, тобто: при сти­муляції подразником

порогової і надпорогової сили розвивається ПД однакової амплітуди, а у відповідь на дію підпорогового подразника він не виникає взагалі. Як правило, величина критичного рівня деполяризації на 20-30 мВ менша значення від мембранного потенціалу спокою.

Підпороговий струм недостатній для виникнення потенціалу дії, але все ж таки віїГдепбляризує мембрану тим більше, чим більша його сила. Деполяризація, яка розвивається при цьому, називається локальною від­повіддю і вона нездатна поширюватися по мембрані. Локальна відповідь та відміну від ПД підлягає закону сили, тобто: в певних межах її ампліту­да лінійно залежить від сили подразника.

Крім сили постійного струму виникнення ПД залежить також від тривалості його дії. Існує обернено пропорційна залежність між силою струму та тривалістю його дії, яка має вид гіперболи і відома як крива си- ли-часу. Підпороговий струм навіть при дуже тривалій дії не зумовить ге­нерацію ПД. Надпороговий струм при надто короткій дії також не приве­де до збудження.

Для виникнення ПД потрібна і певна крутизна наростання струму. Якщо він наростає повільно, то збудження не виникає навіть при порого- вій силі.

Нарешті, для виникнення ПД має значення і напрям струму прикла­деного до клітини. Так ПД, виникає в момент замикання струму під като­дом, а в момент розмикання - під анодом. Ці експериментальні факти ві­домі як полярний закон подразнення Пфлюгера. Спробуємо розібрати­ся в чому тут справа. Оскільки катод заряджений негативно, то він змен­шує позитивний заряд зовнішньої мембрани, тобто деполяризує її. В обла­сті анода мембрана навпаки гіперполяризована, бо він заряджений пози­тивно. При замиканні струму під катодом деполяризація досягає критич­ного рівня і генерується потенціал дії. Навпаки при розмиканні струму (тобто при поверненні мембранного потенціалу до попереднього рівня) гі­перполяризована мембрана також деполяризується на величину критич­ного рівня деполяризації, що зумовлює виникнення ПД.

При тривалій деполяризації збудливість мембрани під катодом змен­шується. Цей експериментальний факт, відкритий російським фізіологом Веріго, називають катодичною депресією. Причиною катодичної депре­сії є підвищення критичного рівня деполяризації, зв’язане з інактивацією натрієвих каналів.

І.б.Співвідношення фаз збудяи-вості з фазами потенціалу дії

Розглянемо співвідношення збудливості клітини з фазами потенціалу, дії. Під час локальної відповіді збудливість підвищується. Причиною цього є те, що мембрана вже частково деполяризована. Під час фази деполяри­зації ПД клітина не здатна реагувати ні на яке подразнення. Цей період називають періодом абсолютної рефрактерності. фазі реполяризації збудливість поступово відновлюється, але вона все ж таки нижча, ніж до збудження. Ця фаза відповідає періоду відносної рефрактерності. В фазі слідової деполяризації збудливість вища, ніж початкова (період гіпернор- мальної збудливості) , а в фазі слідової гіперполяризації - нижча (період субнормальної збудливості).

7. Оцінка збудливості.

Поняття про реобазу та хронаксію

На завершення поговоримо про показники, які характеризують збудливість тканин при дії на них електричного струму. До них відно­сяться реобаза, корисний час і хро- наксія.

• Реобазою (порогом подраз­нення) називають мінімальну_силу постійного струму, здатного викли­кати ПД.

• Корисний час - мінімальний час , на протязі якого повинен діяти іїиДразник силою в 1 реобазу, щоб викликати ПД.

• Хронаксія - час, на протязі якого повинен діяти струм силою в дві реобази, щоб викликати ПД.