Второй вопрос.

Для исследования электрических явлений в нервных (и других) клетках широко применяют микроэлектроды (стеклянные пипетки с очень тонким, при­мерно 0,5 мкм, кончиком), заполненные электролитом. В таком микроэлектроде электролит играет роль проводника тока, а стекло — изолятора. Если кончик микроэлектрода вводят внутрь клетки, то он регистрирует внутриклеточный потенциал (относительно наружного «индифферентного» электрода). В крупные нервные клетки (волокна) удается вводить и проволочные электроды. С помо­щью внутриклеточных электродов установлено следующее.

Мембранный потенциал покоя. У нейронов, как и у всех исследованных клеток, поверхностная мембрана в покое электрически поляризована, т. е. имеет разный электрический потенциал наружной и внут­ренней поверхностей. В этом можно убедиться, если ввести внутрь клетки микроэлектрод, соединенный с регистрирующей установкой. Как только мик­роэлектрод попадает внутрь клетки, он мгновенно приобретает некоторый по­стоянный электроотрицательный потенциал по отношению к электроду, распо­ложенному в окружающей клетку жидкости.

Величина внутриклеточного электрического потенциала у нервных клеток и волокон, например, гигантских нервных волокон кальмара, в покое составля­ет около —70 мВ.

Эту величину называют мембранным потенциалом покоя (МПП). Во всех точках аксоплазмы этот потенциал практически одинаков.

При выведении кончика микроэлектрода из клетки возвратным движением или прокалыванием ее насквозь разность потенциалов между электродами скачкообразно исчезает.

Природа поляризации клеточной мембраны сегодня в основном определена. Чтобы ее понять, необходимо рассмотреть некоторые свойства самой мембра­ны, а также ионный состав внеклеточной среды и внутриклеточной жидкости. Мембрана, например, у аксона кальмара, как и у всех других клеток, — очень тонкая, но достаточно прочная оболочка. Согласно электронно-микроскопичес­ким данным ее толщина составляет 5-10 нм. В основу современных представ­лений о структуре мембран положена жидкостно-мозаичная модель. Согласно этой модели в жидком липидном бислое плавают глобулярные бел­ки — интегральные и периферические. Одни из них являются ионными канала­ми, другие (например, гликопротеиды) содержат олигосахаридные белковые цепи, участвующие в узнавании клетками друг друга и межклеточной коммуникации. Структура мембраны высокодинамична: липиды способны к латеральной и вращательной диффузии, они могут переходить из одного монослоя в другой. Белкам свойственна и вращательная диффузия. Однако часть белков иммоби­лизована («заякорена») структурами цитоскелета и не может свободно плавать. Стало быть, жидкостно-мозаичная модель мембраны верна лишь частично.

В последние годы предложена твердокаркасная жидкостно-мозаичная мо­дель. В этой модели мембрана уподобляется белковому каркасу, ячейки кото­рого заполнены липидным бислоем. В формировании непрерывного каркаса участвуют внутримембранные белки, белки цитоскелета, прилегающие к внут­ренней поверхности мембраны, а с наружной стороны — белки экстраклеточно­го матрикса: коллаген, фиброкинин. Важным структурным компонентом мем­бран является вода. Особенности взаимодействия основных молекулярных элементов с водой не только определяют многие структурно-функциональные свойства мембранных систем, но и становятся решающими в процессе их фор­мирования и стабилизации.

В транспорте веществ через мембрану принято выделять два типа — пассив­ный и активный транспорт. Пассивный транспорт — перенос неэлектролитов и ионов через мембрану по градиенту химического или электрохимического потенциала. Это может быть простая диффузия через липидный бислой либо облегченная диффузия, осуществляемая переносчиками или по каналам в мем­бране. Процессы облегченной и простой диффузии направлены на выравнива­ние градиентов и установление равновесия в системе. Активный транспорт — перенос неэлектролитов и ионов против градиента химического или электрохи­мического потенциала сопряжен с энергетическими затратами. Основное отли­чие активного транспорта от облегченной диффузии состоит в том, что одна из стадий активного транспорта энергозависима. Когда для переноса вещества используется энергия аденозинтрифосфата (АТФ) или окислительно-восстано­вительных реакций, транспорт называют первично-активным. Если же в каче­стве источника энергии используется градиент концентрации ионов, то транс­порт называют вторично-активным. Тип транспорта (пассивный или активный) зависит от изменения свободной энергии транспортируемых катионов.

Сейчас известны следующие механизмы прохождения ионов через мембра­ну: 1 — растворение иона в липидной фазе мембраны, диффузия и последую­щий переход из мембраны в раствор, 2 — движение по гидрофильным ионным каналам в мембране, 3 — транспорт с участием переносчиков. В качестве переносчиков чаще всего выступает внутриклеточный циклический аденозин-монофосфат — цАМФ, и инозитолтрифосфат — ИФз.

Ионные каналы. Эти мембранные структуры являются интегральными бел­ками (гликопротеинами), пронизывающими липидный бислой и способными при адекватных внешних воздействиях (изменение потенциала на мембране, действие гормона или медиатора) избирательно менять проницаемость мембра­ны для определенных ионов (Nа⁺, К⁺, Са²⁺, С1^-). Например, в покое (мембрана не деполяризована) натриевый канал не пропускает ионы Nа⁺, поскольку зак­рыты m-ворота. При деполяризации m-ворота открываются и канал активируется, т. е. начинает пропускать ионы Nа⁺. Из-за этого m-ворота назы­вают также активационными. В открытом состоянии проводимость канала в значительной степени определяется его селективным фильтром, который не пропускает анионы и гораздо более свободно пропускает Nа⁺, чем К⁺ или Са²⁺. При более длительной деполяризации закрываются h-ворота (инактивационные), расположенные у внутренней стороны мембраны, и канал инактивируется. Реполяризация до уровня потенциала покоя вновь приводит к открытию h-ворот и закрытию m-ворот. В этом состоянии канал можно вновь активиро­вать деполяризующим стимулом.

В основе многих физиологических процессов (передача электрических и химических сигналов, мышечное сокращение, секреторный процесс и т. д.) лежит прежде всего работа ионных каналов. Их характеристики могут изме­нять некоторые фармакологические препараты и яды.

Каналам биомембран свойственна характерная избирательность для ионов (селективность), а также способность открываться и закрываться при различ­ных воздействиях на мембрану (воротная функция). Переходы каналов из открытого состояния в закрытое (воротный механизм) могут быть обусловлены изменениями мембранного потенциала, взаимодействием с определенными хи­мическими веществами, специфическим фосфорилированием каналов. Ворот­ный механизм каналов управляется сенсором внешнего стимула. В зависимос­ти от локализации сенсора каналы разделяются на две группы.

К первой группе относятся каналы, имеющие собственный сенсор (входя­щий в состав макромолекулы) внешнего сигнала. Внешний стимул влияет непосредственно на макромолекулу канала. Эта группа включает два больших семейства ионных каналов: потенциал- и лигандозависимые.

Потенциалозависимые каналы (Nа⁺, К⁺, Са²⁺, С1~-каналы) открываются и закрываются при изменении электрического потенциала на мембране.

Лигандозависимые ионные каналы обеспечивают быструю передачу сигналов между клетками, например, в химических синапсах. Эти каналы открываются при связывании с рецептором ряда биологически активных веществ, таких как ацетилхолин, глутамат, у-аминомасляная кислота.

В каналах второй группы сенсор внешнего сигнала (рецептор первичного посредника) пространственно разобщен с каналом. Взаимодействие сенсора и канала осуществляется с помощью растворимых внутриклеточных вторич­ных посредников. Это рецепторзависимые ионные каналы, каналы, опосредо­ванно управляемые химическими сигналами. К ним относятся также каналы, управляемые G-белками, которые активируются при связывании лиганда с рецептором.

В покое практически все натриевые каналы мембраны аксона закрыты, а большое число калиевых — открыто. Определенное состояние ионных каналов мембраны (например, закрытое у натриевых, открытое у значительной части калиевых) очень важно для генерации МПП нервной клеткой. Кроме того, в мембране находятся неспецифические каналы для ионной утечки, каждый из которых проницаем для К⁺, Nа+ и С1~ (больше всего для К^. Эти каналы не имеют воротных механизмов, всегда открыты и почти не меняют своего состо­яния при электрических воздействиях на мембрану.

Ионный насос. Важным условием для формирования МПП является отли­чие ионного состава аксоплазмы от ионного состава внешней среды.

Различия ионного состава аксоплазмы и крови постоянны и в основном сводятся к тому, что в аксоплазме по сравнению с кровью меньше ионов Nа⁴', больше К и несравненно больше органических анионов. Последние не могут проник­нуть через неповрежденную мембрану наружу. Что касается катионных раз­личий, то они являются результатом работы так называемого натрий-калие­вого насоса мембраны, непрерывно откачивающего Nа⁺ из клетки в обмен на К⁺.

Поскольку этот насос работает таким образом, что удаляя из клетки три иона Nа⁺, он вводит в нее два иона К.⁺, т. е. в конечном счете удаляя из клетки положительные заряды, он может вносить прямой вклад в создание потенциала покоя. Косвенная роль натрий-калиевого насоса связана с тем, что он поддер­живает высокую концентрацию калия во внутриклеточной среде. Основным же фактором, ответственным за создание потенциала покоя, служит высокая про­ницаемость мембраны для калия (по сравнению с другими ионами), благодаря которой калий диффундирует из клетки до тех пор, пока его выходу не будет препятствовать накопление в клетке отрицательных зарядов.

Перенос ионов против градиентов их концентраций называют активным ионным транспортом в отличие от пассивного транспорта — утечки ионов.

Натрий-калиевый насос работает, потребляя энергию АТФ, его основным компонентом является фермент — мембранная Na⁺, К⁺-АТФаза. АТФаза погру­жена в липидный бислой плазматической мембраны. В ходе работы одна молекула АТФ расщепляется на АДФ и фосфат. В норме АТФ поступает к насосу из аксональных митохондрий. Поэтому в лишенном аксоплазмы перфузируемом аксоне насос работает только при добавлении к перфузату АТФ. Для работы насоса, кроме того, требуется наличие в среде ионов К⁺, а внутри волокна — ионов Nа⁺. Макромолекулярный механизм насоса работает лишь в случае присоединения к этой системе снаружи ионов К⁺, а изнутри клетки — ионов Nа⁺.