И окружающим раствором.
Эта разность потенциалов называется мембранный потенциал покоя (МПП), для разных клеток он колеблется от – 60 до –90 милливольт. Величина внутриклеточного электрического потенциала, например, у нервных клеток, составляет приблизительно -70 мв. Возбудимые клетки способны реагировать на раздражение и возбуждаться потому, что в исходном состоянии они поляризованы, т.е. обладают разностью потенциалов между внутренней стороной мембраны, которая заряжена отрицательно, и окружающей средой. Клетка, не имеющая такого потенциала, не способна ответить на раздражение, поэтому во всех возбудимых клетках постоянно протекают процессы, поддерживающие этот потенциал. Таким образом – мембранный потенциал покоя – основа возбудимости клетки.
Чтобы разобраться в механизмах, обеспечивающих формирование потенциала покоя мембраны необходимо изучить деятельность двух важных компонентов клеточной мембраны: ионных каналов и натрий/ калиевого насоса.
Ионные каналы
Ионные каналыпредставлены интегральными белками мембраны. Эти белки способны, при определенных воздействиях, изменять свою конформацию (и свойства) таким образом, что в этом участке мембраны образуется пора, через которую может пройти какой-либо ион. Известны натриевые, калиевые, кальциевые, хлорные каналы, иногда канал может пропускать два иона, например известны натрий – кальциевые каналы.Через ионные каналы осуществляется только пассивный транспорт ионов.Это значит, что для перемещения иона необходим не только открытый канал, но и градиент концентрации для этого иона. В этом случае, будет движение иона по градиенту концентрации – из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией. Необходимо помнить, что мы говорим об ионах – заряженных частицах, транспорт которых обусловлен еще и зарядом. Возможны ситуации, когда движение по градиенту концентрации может быть направлено в одну сторону, а существующие заряды противодействуют этому переносу.
Ионные каналы обладают двумя важнейшими свойствами: 1) избирательностью (селективностью) по отношению к определенным ионам и 2) способностью открываться (активироваться) и закрываться. При активации канал открывается и пропускает ионы. Таким образом, в комплекс интегральных белков, формирующих канал, должны обязательно входить два элемента: структуры, распознающие «свой» ион и способные его пропустить, и структуры, которые позволяют узнать – когда пропускать этот ион. Селективность канала определяется теми белками, которые его образуют, «свой» ион распознается по размерам и заряду. Активация каналов возможна несколькими путями. Во-первых, каналы могут открываться и закрываться при изменении потенциала мембраны. Изменение заряда приводит к изменению конформации белковых молекул, и канал становится проницаемым для иона. Для изменения свойств канала достаточно ничтожного колебания потенциала мембраны. Такие каналы называются потенциал-зависимые (или электроуправляемые). Во-вторых, каналы могут быть частью сложного белкового комплекса, который называется мембранный рецептор. В этом случае изменение свойств канала обусловлено конформационнй перестройкой белков, которая происходит в результате взаимодействия рецептора с биологически активным веществом (гормоном, медиатором). Такие каналы называются хемозависимые (или рецептор-управляемые). Кроме того, каналы могут открываться при механическом воздействии – давлении, растяжении. Механизм, который обеспечивает активацию, называется воротами канала. Кроме того, каналы можно разделить на быстрые и медленные по скорости, с которой они открываются и закрываются.
Большинство каналов (калиевые, кальциевые, хлорные) могут находиться в двух состояниях: открытом и закрытом. В работе натриевых каналов есть некоторые особенности. Этим каналам, как и калиевым, кальциевым, хлорным свойственно находиться или в открытом, или в закрытом состоянии, однако, натриевый канал может быть и инактивирован, этот состояние, в котором он не может быть открыт воздействием с поверхности мембраны.
Рисунок 5 Конформационные состояния белков ионных каналов
Рисунок 6 Пример работы рецептор-управляемого канала. АЦХ – ацетилхолин. Взаимодействие молекулы АЦХ с мембранным рецептором изменяет конформацию воротного белка таким образом, что канал начинает пропускать ионы.
Рисунок 7 Канал для ионов натрия (1) образован макромолекулами белка (2). В канале имеются активационные и инактивационные ворота. Состояние а – активационные ворота закрыты, б - активационные ворота открыты, канал может пропускать ионы, в – закрыты инактивационные ворота – канал инактивирован.
При рассмотрении механизмов возбуждения нас будет интересовать в основном работа натриевых и калиевых каналов, однако, остановимся коротко на особенностях кальциевых каналов, они нам понадобятся в дальнейшем. Натриевые и кальциевые каналы отличаются по своим свойствам и эти отличия необходимо учитывать при использовании фармакологических средств. Натриевые каналы бывают быстрые и медленные, а кальциевые – только медленные. Активация натриевых каналов приводит только к деполяризации и возникновению или ЛО, или ПД, активация кальциевых может дополнительно вызвать метаболические изменения в клетке. Эти изменения обусловлены с тем, что кальций связывается со специальными, чувствительными к этому иону белками, например, кальмодулином, тропонином. Связанный с кальцием белок изменяет конформацию и свойства таким образом, что становится способен изменить свойства других белков, например, активировать ферменты, запустить сокращение мышцы, экзоцитоз. Изменение метаболизма клеток, в свою очередь, способно влиять на проницаемость каналов для кальция, своего рода саморегуляция проницаемости канала. И последнее, в природе существует много блокаторов натриевых каналов, а блокаторы кальциевых каналов – только синтетические, природных пока не обнаружено.
Механизм работы Na+/K+ насоса