Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Модуль «Клетка». Содержание лекций, контрольные вопросы, тесты. Методическое пособие
.pdf
вместное их поступление в клетку не сказывается существенно на величине ПП.
Роль ионов кальция в формировании ПП:
Снаружи и внутри клетки есть полярные молекулы
– гликолипиды, фосфолипиды, гликопротеиды, которые
несут отрицательный заряд. Кальций взаимодействует с
наружными фиксированными отрицательными зарядами
КМ и отрицательными карбоксильными группами интерстиция и нейтрализует их. В результате увеличивают ПП
и стабилизируют его.
Роль проницаемости КМ в формировании ПП:
Иллюстрируется следующим опытом.
1,2 – электроды, 3 – регистратор. Маленькие кружочки –
ионы калия, большие – ионы SO
4
2- .
С1<С
2
Сосуд разделен полупроницаемой мембраной. Обе его
половины заполнены раствором K2SO4 различной концентрации, причем С1<С2. КМ проницаема для ионов
калия и не проницаема для SO
2-
. Ионы калия перемеща-
4
ются согласно концентрационному градиенту из С2 в С1.
поскольку SO
2-
не могут пройти в раствор С1, КМ поля-
4
ризуется и между ее поверхностями возникает разность
электрических потенциалов, соответствующая равновесному калиевому потенциалу. В растворе С
становится
2
71
больше отрицательных зарядов, в растворе С1 – больше
положительных зарядов.
При проведении измерений потенциал окружающей
клетку среды принимают за величину равную нулю. Относительно нулевого потенциала внешней среды потенциал внутренней среды равен от -60 до -90 мВ. Повреждение клетки приводит к увеличению проницаемости КМ.
В результате различие проницаемости для ионов калия и
натрия уменьшается, и как следствие, уменьшается ПП
(например, ишемия тканей миокарда).
Роль ионных насосов в формировании ПП:
Кроме собственных ионных механизмов формирования ПП связано с различной проницаемостью КМ; имеется активный механизм поддержания градиентов концентрации различных ионов внутри и вне клетки – ионные
насосы – натрий калиевая помпа.
Ионный насос – это транспортная система, обеспечивающая перенос ионов с затратой энергии.
Если заблокировать высвобождение энергии (динитрофинол), в течение 1 часа выведение ионов натрия
из клетки сократится примерно в 100 раз. Выделение
натрия сопряжено с транспортом калия (если удалить
калий из наружного раствора, то работа насоса блокируется, и как результат перенос ионов натрия из клетки падает примерно на 30% от нормы). Сопряженность
транспорта ионов натрия и калия уменьшает расход
энергии примерно в 2 раза по сравнению с несопряженным транспортом.
За 1 с натрий калиевый насос (одна молекула белка)
переносит 150-600 ионов натрия. Накопление натрия
в клетке стимулирует работу натрий калиевого насоса,
уменьшается концентрация натрия в клетке и уменьшается его активность, т.к. уменьшается вероятность контакта
ионов с соответствующими переносчиками.
В результате сопряженного транспорта натрия и калия
поддерживается постоянная разность концентраций этих
ионов внутри и вне клетки.
1 молекула АТФ обеспечивает один цикл работы натрий
калиевого насоса. При этом переносится 2 калия в клетку и
переносится 3 натрия из клетки.
72
Ассиметричный перенос ионов натрий калиевым насосом поддерживает избыток положительно заряженных
частиц снаружи и отрицательных внутри клетки. Следовательно, натрий калиевый насос дополнительно увеличивает ПП примерно на 5-10 мВ (в среднем около 10% у
разных возбудимых клеток). Решающим фактором в формировании ПП является селективная проницаемость КМ
для различных ионов.
В покое клетка снаружи заряжена положительно, внутри – отрицательно. Это состояние «заряженности» называется поляризация.
Снижение МП по абсолютной величине (т.е. его сдвиг
в положительную сторону) – деполяризация.
Восстановление МП после деполяризации – реполяри-
зация.
Увеличение МП по абсолютной величине (т.е. сдвиг
его в отрицательную сторону) – гиперполяризация.
Физиологический смыл ПП:
Электрохимический градиент для калия невелик
– концентрационный и электрический градиенты для
данного иона направлены взаимно противоположно и ϕ
к
близок к ПП.
Электрохимический градиент для натрия, напротив
очень высокий – концентрационный и электрический
градиенты для данного иона направлены в одну сторону
(внутрь клетки), ϕNa сильно отличается от ПП. Следовательно, в этой высокой движущей силе для входа ионов
натрия в клетку и заключается физиологический смысл
ПП. Мембрана как бы сдерживает поток ионов натрия,
даже небольшое увеличение проницаемости КМ для
этого иона, приводит к интенсивному входу натрия и
быстрой деполяризации клетки, т.е. ПД.
3. Мембранная теория Ходжкина-Хаксли-Катца.
Потенциал действия (ПД).
ПД – это быстрые колебания мембранного ПП вслед-
ствие движения ионов в клетку и из клетки согласно концентрационному и частично электрическому градиенту, способный распространяться без декремента (без затухания).
73
ПД обеспечивает передачу сигналов между нервными
клетками, нервными центрами и рабочими органами, в
мышцах ПД обеспечивает процесс электромеханического
сопряжения.
1) ПД клетки скелетно-мышечного волокна
Более узкий пик ПД
Продолжительность 1-1,5 мс
ϕ
КМ
t
а – фаза деполяризации; б – фаза инверсии;
в – фаза реполяризации.
2) ПД нервной клетки
Более широкий пик ПД
Продолжительность 1-1,5 мс
ϕ
КМ
ПД
ПП
t
1 –деполяризация, 2 – овершут, 3 – реполяризация, 4 – следовая
гиперполяризация, 5 – следовая деполяризация
74
3) ПД типичного кардиомиоцита
Продолжительность 300 мс.
Амплитуда до 0
фаза плато
(входит
кальций)
t
ПД это кратковременная деполяризация от уровня покоя до +30 мВ.
Ионные механизмы формирования ПД.
В возникновении ПД играют роль два вида потенциалчувствительных каналов:
1) быстрые натриевые каналы;
2) калиевые каналы (вспомогательная роль).
Быстрые потенциалчувствительные натриевые каналы
обладают двумя воротами:
1 – наружные или активационные (m; быстрые)
2 – внутренние или инактивационные (h; медленные).
Т.к. быстрые натриевые каналы потенциалчувствительные они обладают следующими свойствами:
1. Потенциалзависимостью – активационные ворота
при ПП закрыты, инактивационные – открыты. В ответ
на деполяризацию активационные ворота открываются,
инактивационные закрываются.
2. Времязависимостью – активационные ворота в ответ на деполяризацию открываются чрезвычайно быстро,
инактивационные закрываются тоже достаточно быстро,
но медленнее, чем активационные. Следовательно:
1) в состоянии покоя быстрые натриевые каналы закрыты (т.к. закрыты активационные ворота);
75
2) при деполяризации быстрые натриевые каналы сначала быстро открываются (инактивационные ворота еще
не закрыты, активационные – уже открыты) – натриевая
активация.
3) при дальнешей деполяризации эти каналы закрываются (т.к. закрываются инактивационные ворота) – на-
триевая инактивация.
Потенциалчувствительные калиевые каналы:
У них есть только наружные (активационные) ворота.
Обладают теми же свойствами:
1. Потенциалзависимость – ворота при ПП закрыты, в
ответ на деполяризацию – открываются.
2. Времязависимость – ворота в ответ на деполяризацию открываются сравнительно медленно (калиевая ак-
тивация). При дальнейшей деполяризации эти каналы
остаются открытыми, и закрываются лишь тогда, когда
ПП возвращается к уровню покоя.
Фазы ПД (ионные механизмы ПД):
1. Фаза деполяризации – исчезновение заряда клетки,
т.е. уменьшение ПП до нуля. Обеспечивается движением
натрия в клетку. Движущая сила – концентрационный и
электрический градиенты. Условие движения – увеличение проницаемости КМ для ионов натрия.
Концентрация натрия вне клетки в 10-12 раз больше,
чем в клетке. Поэтому условием, обеспечивающим вход
натрия в клетку, и является увеличение проницаемости
КМ, которое определяется состоянием воротного механизма натриевых каналов. Воротный механизм натриевых каналов располагается на внешней и внутренней
сторонах КМ, калиевых каналов – на внутренней (т.к.
калий выходит из клетки). m-ворота натриевых каналов
располагаются на внешней стороне КМ (натрий движется в клетку во время ее возбуждения), h-ворота – с
внутренней стороны КМ. В условиях покоя m-ворота закрыты, h-ворота – преимущественно открыты; закрыты
так же калиевые активационные ворота, инактивационных ворот – нет.
Когда деполяризация клетки достигает критической
величины (критический уровень деполяризации (КУД)),
76
который обычно равен -50 мВ, проницаемость КМ для
натрия резко увеличивается – открывается большое число потенциалчувствительных m- ворот натриевых каналов и натрий лавиной устремляется в клетку.
КУД – это минимальный уровень деполяризации мембраны, при котором способен возникнуть ПД.
Через один открытый натриевый канал за 1 мс проходит до 6000 ионов.
В результате интенсивного тока ионов натрия в клетку
деполяризация проходит быстро.
Вход натрия в клетку в фазу деполяризации носит самоусиливающий характер: деполяризация → увеличение
проницаемости КМ → открытие натриевых каналов →
увеличение количества входящего в клетку натрия → уси-
ление деполяризации → открытие новых натриевых каналов.
Деполяризация
Вход натрия
в клетку
В результате ПП исчезает до нуля. На этом фаза деполяризации заканчивается.
2. Фаза инверсии – изменение знака заряда на обрат-
ный.
После исчезновения ПП натрий продолжает двигаться
в клетку (m-ворота натриевых каналов еще открыты), поэтому число положительных ионов в клетке превосходит
число отрицательных ионов. В результате заряд внутри
клетки становится положительным, снаружи – отрицательным.
Восходящая часть инверсии в большинстве случаев в
основном обеспечивается ионом натрия. Во время деполяризации увеличивается проницаемость КМ и для ионов
Открытие
натриевых
каналов
77
кальция, но в нервных волокнах, нейронах и скелетных
мышцах его роль в развитии ПД мала. В клетках гладких
мышц и миокарда его роль существенна.
Примерно через 0,5-2 мс и более (время зависит от
вида клетки) рост ПД прекращается, что связано с закрытием натриевых каналов (h-ворот) и прекращением поступления натрия в клетку, и открытием калиевых
каналов. В результате резко увеличивается выход калия
из клетки; а так же препятствует росту ПД выход калия
по «каналам утечки». Поскольку калий находится преимущественно в клетке, он согласно концентрационному градиенту быстро выходит из клетки после открытия
калиевых каналов, поэтому число положительных ионов
в клетке уменьшается. Заряд клетки снова уменьшается.
В период нисходящей части инверсии выходу калия из
клетки способствует электрический градиент до полного
исчезновения положительного заряда внутри клетки (на
графике до нуля).
Калий выходит как по управляемым, так и по неуправляемым каналам из клетки, поэтому замедляется ход восходящей части ПД и ускоряется ход нисходящей его части.
Таким образом, изменение ПП ведет к последовательному открытию или закрытию электроуправляемых ворот
ионных каналов и движению ионов, согласно электрохимическому градиенту – возникновению ПД. Все фазы
являются регенераторными – необходимо только достичь
КУД, а далее ПД развивается за счет энергетического потенциала клетки в виде электрохимических градиентов,
т.е. вторично активно.
Амплитуда ПД складывается из величины ПП и величины фазы инверсии, составляющей у разных клеток 1050 мВ.
3. Фаза реполяризации – восстановление заряда клетки.
Фаза связана с тем, что проницаемость КМ для ионов
калия все еще высокая (m-ворота калиевых каналов открыты), калий продолжает выходить из клетки. Поскольку электрический градиент препятствует выходу калия,
его проводимость падает, хотя он продолжает выходить.
78
Это объясняется тем, что действие концентрационного
градиента выражено значительно сильнее электрического. Поэтому вся нисходящая часть пика ПД обусловлена
выходом калия из клетки.
Иногда в конце ПД наблюдается замедление реполя-
ризации – это объясняется уменьшением проницаемость
КМ для калия и замедлением его выхода из клетки из-за
закрытия значительной части ворот калиевых каналов.
Вторая причина замедления тока калия из клетки связана
с возрастанием положительного заряда наружной поверхности клетки и формированием противоположно направленного электрического градиента.
Если гигантский аксон кальмара поместить в раствор
с различной концентрацией натрия, то ПД будет уменьшаться с уменьшением концентрации натрия в окружающей нервное волокно среде.
Если частично заблокировать натриевые каналы (тетродотоксином) , то ПД уменьшится.
Если заблокировать натриевые каналы полностью, то
ПД не возникнет.
Возможность временного нарушения работы натриевых каналов широко применяется в клинике. С помощью
местных анестетиков расстраивается механизм управления ворот натриевых каналов, в результате прекращается проведение возбуждения в соответствующем участке
нерва, и как результат устраняются болевые ощущения,
что дает возможность проведения хирургической операции.
Если заблокировать калиевую проницаемость тетраэтиламонием, то после деполяризации реполяризация будет гораздо медленнее, она будет только за счет «каналов
утечки».
Роль кальция в формировании ПД высока в сердечной мышце и гладких мышцах. Уменьшение концентрации кальция в крови на 50% приводит к развитию
судорог скелетных мышц. Это объясняется значительным увеличением возбудимости нервной и мышечной
клеток в результате уменьшения ПП из-за уменьшения
степени нейтрализации отрицательных фиксированных
зарядов на поверхности КМ и отрицательно заряжен-
79
ных карбоксильных групп интерстиция. В результате
увеличивается реактивность нейронов, т.к. ПП приближается к критическому уровню, и начинается активация натриевых каналов. В ответ на поступление
даже незначительной импульсации нейроны начинают
генерировать ПД в большом количестве, что приводит
к развитию судорог.
4. Следовые потенциалы.
По окончании ПД часто возникают следовые потенциалы (СП). В большинстве случаев они обусловлены тем,
что ворота ионных каналов не успевают вернуться в состояние, характерное для ПП. Эти потенциалы в разных
клетках разные; в некоторых клетках их нет вовсе (исчерченное мышечное волокно), в других клетках может быть
несколько сменяющих друг друга СП. Механизмы их в
разных клетках различны, что связано с разнообразием
ионных каналов.
1. Следовая гиперполяризация или положительный СП
– характерен для нейрона. Обусловлена временным увеличением калиевой проницаемости (из-за медленного
закрытия потенциалзависимых калиевых каналов) и как
следствие смещением ПП в сторону КУД.
ϕ
КМ
t
Два вариант ПД возбудимых клеток: А – исчерченное мышечное
волокно; Б – нейрон. 1 – следовая гиперполяризация; 2 – следовая
деполяризация.
Натрий калиевый насос непосредственно за фазы ПД
не отвечает, хотя она работает непрерывно в покое и продолжает работать во время развития ПД. ПД развивается
80
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]