Методички для студентов / пособие возбудимые ткани
.pdfТранспорт частиц через мембрану является жизненно важным процессом
для клеток. Различают:
•пассивный транспорт — (без затраты энергии), т.е. транспорт веществ по концентрационному (из раствора с большей концентрацией в менее концентрированный раствор) и электрохимическому градиентам. Такой транспорт осуществляется через ионные каналы. Примерами пассивного транспорта являются осмос и простая диффузия ионов;
•активный транспорт — с затратой энергии, против градиента и осуществляется ионными насосами.
Различают:
•первично активный транспорт — протекает с затратами энергии АТФ против концентрационного градиента (т.е. перенос веществ через мембрану происходит из меньшей концентрации в большую концентрацию против их естественного движения);
•вторично активный транспорт — вид транспорта для переноса веществ
(глюкозы, аминокислот и т.п.) через мембрану против градиента концентрации, но без непосредственной затраты энергии. Эти вещества проходят через мембрану с помощью специальных белков — переносчиков,
которые обеспечивают перенос других веществ (например, ионов), т.е. как бы попутно.
Ионные каналы
Классификация каналов:
по специфичности:
•специфические (селективные) — способны пропускать только определенный вид ионов. Данные каналы имеют особую геометрию строения, в котором различают вход в канал (устье) и более узкое место, называемое
селективным фильтром. Ион проходит через данный канал, если его диаметр совпадает с диаметром селективного фильтра (рис.8). Различают селективные каналы для ионов Na+ — натриевые, для ионов К+ — калиевые, для ионов Cl -
— хлорные, для ионов Са2+ — кальциевые и т.д.;
21
•неспецифические (неселективные) ионные каналы, через которые могут проходить разные ионы. Например, в кардиомиоцитах есть каналы, которые пропускают как ионы натрия, так и ионы кальция. В основном, такие каналы расположены на постсинаптических мембранах синапсов.
По наличию ворот в канале:
•безворотные (каналы утечки), они всегда открыты, и через них пассивно (по концентрационному градиенту) проходят (утекают!) ионы (рис. 7);
Рис. 7. Безворотный ионный канал
•воротные каналы.
Всостоянии функционального покоя клетки они закрыты и открываются только под действием раздражителей.
22
Рис.8. Строение воротного ионного канала
Воротный канал имеет (рис.8): устье; селективный (избирательный)
фильтр; ворота; механизм управления воротами.
Такие ионные каналы обладают свойством управляемости, т.е. они могут открываться под действием определенных факторов. В зависимости от механизма управления воротами (т.е. на что открываются ворота канала),
различают каналы:
•механочувствительные — реагируют на механическую деформацию мембраны, например, при растяжении;
•хемозависимые — реагируют на химическое вещество, например, медиатор;
•потенциалзависимые — реагируют на изменение заряда на поверхности мембраны.
Например, потенциалзависимые Na-каналы имеют ворота 2-х типов — активационные (m-ворота) и инактивационные (h- ворота) и могут находиться в трех состояниях. В состоянии покоя активационные ворота закрыты, а
инактивационные открыты.
23
Рис.9. Схема работы потенциалзависимого Naионного канала
В ответ на действие раздражителя и изменение заряда на мембране происходят изменения белковой молекулы канала: в результате активационные ворота открываются и ионы проходят через канал в клетку (состояние активации), после чего начинают закрываться инактивационные ворота и происходит инактивация каналов. Некоторое время спустя закрываются активационные и открываются инактивационные ворота и канал снова приходит в состояние покоя (рис.9).
Мембранный потенциал или потенциал покоя
Через клеточную мембрану в клетку и из нее постоянно осуществляется транспорт веществ, в том числе ионов (K+, Na+, Ca2+, Cl-). В результате, каких-то ионов оказывается больше снаружи клетки, а каких-то внутри нее.
В состоянии покоя поверхностная мембрана возбудимой клетки поляри-
зована, то есть внутренняя ее поверхность заряжена отрицательно по отноше-
нию к наружной.
Разность потенциалов между наружной и внутренней поверхностями мембраны — это и есть мембранный потенциал (МП) или трансмембранная разность.
Для объяснения механизма возникновения и поддержания МП было раз-
работано несколько теорий. В 1949–1952 гг. Ходжкин, Хаксли и Кац модифи-
цировали существовавшие ранее теории и экспериментально обосновали ос-
24
новные положения мембранно-ионной теории. Согласно этой теории, проис-
хождение МП связано с двумя основными условиями, которые должны иметь место в состоянии покоя в любой возбудимой клетке. Это:
•наличие ионной асимметрии по обе стороны поверхностной клеточной мем-
браны;
•наличие разной проницаемости поверхностной клеточной мембраны для раз-
личных ионов.
Ионная асимметрия — это разная концентрация ионов по обе стороны
поверхностной мембраны клетки (рис.10). Так,
•ионов К+ находится в клетке в 30–50 раз больше, чем снаружи;
•ионов Na+ больше находится вне клетки, чем внутри нее в 8–10 раз;
•ионов Са2+ примерно в 20 раз больше вне клетки;
•ионов Cl- больше во внеклеточной жидкости, чем внутри клетки в 50 раз;
•внутри клетки находится больше органических анионов, по сравнению с наружной поверхностью.
Рис. 10. Ионная асимметрия клеточной мембраны Таким образом, для этих ионов направление концентрационного
градиента (из большей концентрации к меньшей) различно: для К+ — из клетки, для Na+, Са2+ и Cl- — в клетку.
25
Вторая причина, обусловливающая поляризацию мембраны — это
различная проницаемость мембраны для различных ионов.
Так, в состоянии покоя мембрана в 25 раз более проницаема для ионов К+, чем для Na+ за счет наличия каналов утечки для этих ионов. Кроме того,
калиевых каналов на единицу площади мембраны намного больше, чем натриевых.
Механизм возникновения мембранного потенциала (потенциала покоя)
Поскольку в покое внутри клетки содержится большое количество ионов К+ и А- , а мембрана высокопроницаема для ионов К+ , то К+. начинает пассивно выходить по градиенту концентрации из клетки через свои каналы утечки (рис.
11).
Рис.11. Ток калия через клеточную мембрану в покое
Ионы К+.выносят положительные заряды и группируются у наружной поверхности мембраны, поэтому снаружи!!! мембрана заряжается
положительно!!!, а потеря положительных зарядов клеткой ведет к появлению
отрицательного!!! заряда на внутренней!!! поверхности мембраны.
Ионы калия, находящиеся внутри клетки, связаны с органическими анионами (рис. 12 А). Когда ионы калия выходят из клетки по концентрационному градиенту, то органические анионы за счет сил электростатического взаимодействия «стремятся» выйти вслед за ними. Но их большой размер и отрицательный заряд (а внутренние стенки ионных каналов тоже заряжены отрицательно!) не позволяют им даже войти в канал. Поэтому анионы остаются на внутренней поверхности мембраны, заряжая мембрану изнутри отрицательно!!!, и за счет электростатического взаимодействия
26
удерживают ионы калия!!! на наружной поверхности мембраны. В результате этого на мембране формируется разность потенциалов (рис. 12 Б).
А Б Рис. 12. Роль ионов калия в создании мембранного потенциала покоя
Ионы натрия также участвуют в создании МП, так как небольшие порции натрия по каналам утечки постоянно проникают в клетку, и тем самым на
15–20% уменьшают величину МП, созданного ионами калия. В создании МП принимают участие и другие ионы, но их роль незначительна.
Таким образом, калий является основным ионом, обеспечивающим формирование МП (трансмембранную разность)!!!
Величина МП в покое у разных клеток различна и колеблется, например,
для волокон поперечнополосатой мускулатуры от -60 до -90 мВ, для волокон гладкой мышечной ткани от -30 до -50 мВ, для нервных клеток от -60 до -70
мВ. Знак «-» указывает на преобладание отрицательного заряда внутри клетки.
Поддержание постоянства этого значения осуществляется специальным механизмом, который обеспечивает обратное перемещение ионов К+ и Na+
против градиента их концентрации, т.е. активный транспорт. Таким механизмом является Na+-К+ — обменный насос, который при затрате энергии
1 молекулы АТФ выкачивает 3 иона Na+ из клетки и одновременно закачивает
2 иона К+ внутрь клетки!!! (рис.13).
27
Рис. 13. Механизм работы натрий-калиевого насоса
В результате, положительно-заряженных частиц выкачивается больше,
чем закачивается, и значение МП сохраняется со знаком «-». В тоже время натрий-калиевый насос поддерживает ионную асимметрию Na+ и К+ внутри клетки.
Таким образом, МП представляет собой разность потенциалов между наружной и внутренней поверхностью мембраны клетки. Он является результатом разделения зарядов относительно клеточной мембраны, которое возникает за счет движения заряженных ионов (калия, и частично натрия) по концентрационным градиентам через ионные каналы, открытые в покое, и за счет работы Na+ — К+ насоса.
Потенциал действия
Возбудимые ткани осуществляют переработку и передачу информации с помощью биопотенциалов, которые подразделяются на:
распространяющиеся — потенциал действия (ПД); местные — локальный ответ (ЛО).
Местные и распространяющиеся потенциалы переходят друг в друга,
обеспечивая единый процесс обработки и передачи информации.
28
К распространяющемуся биопотенциалу относится потенциал действия
(нервный импульс, возбуждение), который возникает при действии на возбудимую клетку порогового или надпорогового раздражителя. В результате происходит передача информации (т.е. возбуждения) по этой клетке.
Потенциал действия (ПД) — это быстрое колебание мембранного потенциала клетки в ответ на ее раздражение, сопровождающееся изменением знака заряда на мембране, обусловленное изменением проницаемости клеточной мембраны и диффузией ионов в клетку и из нее.
Потенциал действия (процесс возбуждения) протекает в две фазы:
I.фаза деполяризации (уменьшение МП).
II.фаза реполяризации (восстановление МП).
Фаза деполяризации
Согласно мембранно-ионной теории при действии раздражителя пороговой силы на мембране открываются Na-каналы (рис. 14).
Рис. 14. Ток ионов натрия через мембрану клетки при действии раздражителя
В результате начинается пассивное проникновение натрия внутрь клетки.
Натрий заносит в клетку положительный заряд, и уровень МП начинает постепенно уменьшаться, т.е. на мембране начинается процесс деполяризации.
Это в свою очередь способствует открытию еще большего количества
29
управляемых натриевых каналов. Таким образом, деполяризация нарастает и достигает такого уровня, когда одновременно открываются (!) все управляемые натриевые каналы, и Na+ лавинообразно устремляется в клетку! Такой уровень деполяризации поверхностной мембраны называется «критическим уровнем деполяризации» (КУД).
Рс.15. Перезарядка мембраны в результате процесса деполяризации
При лавинообразном токе натрия в клетку деполяризация мембраны быстро нарастает, доводя трансмембранную разность сначала до 0, а затем мембрана внутри заряжается положительно, а снаружи — отрицательно (рис.
15).
Такое состояние мембраны называется перезарядка, или реверсия, или инверсия, или овершут. Таким образом, деполяризация мембраны завершается ее перезарядкой!!! (рис.16).
Но поступление ионов натрия в клетку не может быть бесконечным. В
момент достижения деполяризации пикового потенциала (спайка) наступает
инактивация натриевых каналов!!! Кроме того, проникшие в клетку ионы натрия создают электрическое поле, препятствующее дальнейшему поступлению натрия. С этого момента начинается фаза реполяризации.
30