Вну трепни* потенциал

4 6 8 -во -20 0 ?0 40 чЕ)

Время, мс ф

Рис.7. Временной ход изменений натриевой (g_Na) и калиевой(g_K) проницаемости мембраны при де­поляризации мембраны аксона на 56 мВ.

а — сплошные линии показывают проницаемость при длительной деполяризации, а пунктирные — при репо- ляризации мембраны через 0,6 и 6,3 мс; б зависимость пиковой величины натриевой (g_Na) и стационарного уровня калиевой(gx) проницаемости от мембранного потенциала.

Через открытые каналы ионы движутся по концентрационному и электрическому градиентам. Эти потоки ионов приводят к изменениям мембранного потенциала, что в свою очередь изменяет среднее число открытых каналов и соответственно величину ион­ных токов и т. д. Такая круговая связь важна для генерации потенциала действия, но она делает невозможным количественную оценку зависимости ионных проводимостей от величины генерируемого потенциала. Для изучения этой зависимости применяется «метод фиксации потенциала». Сущность данного метода состоит в насильственном под­держании мембранного потенциала на любом заданном уровне. Так, подавая на мембра­ну ток, равный по величине, но обратный по знаку ионному току, проходящему через открытые каналы, и измеряя этот ток при различных потенциалах, исследователи полу­чают возможность проследить зависимость потенциала от ионных проводимостей мем-

Рис. 8. Схематическое изображение электровозбудимого натриевого канала.

Канал ( 1 ) образован макромолекулой белка 2),суженная часть которого соответствует «селективному фильтру». В канале имеются активационные (ш) и инактивационпые(h) «ворота», которые управляются электрическим полем мембраны. При потенциале покоя (а) наиболее вероятным является положение «закры­то» для активационных ворот и положение «открыто» для инактивационных. Деполяризация мембраны (б) приводит к быстрому открыванию т-«ворот» и медленному закрыванию Ь-«ворот», поэтому в начальный момент деполяризации обе пары «ворот» оказываются открытыми и через канал могут двигаться ионы в соот­ветствии с их концентрационными и электрическими градиентами. При продолжающейся деполяризации(и)инактивационные «ворота» закрываются и канал переходит в состояние инактивации.

браны. Чтобы из общего ионного тока, протекающего через мембрану, выделить его ком­поненты, соответствующие потокам ионов, например, через натриевые каналы, исполь­зуют химические агенты, специфически блокирующие все другие каналы. Соответствен­ным образом поступают при измерениях калиевого или кальциевого токов.

На рис. 7 показаны изменения натриевой (g_Na) и калиевой (g%) проницаемости мембраны нервного волокна во время фиксированной деполяризации. Как отмечалось, величиныg_Na и g_K отражают число одновременно открытых натриевых или калиевых каналов. Как видно,g_Na быстро, за доли миллисекунды, достигла максимума, а затем медленно начала снижаться до исходного уровня. После окончания деполяризации способность натриевых каналов вновь открываться постепенно восстанавливается в течение десятков миллисекунд.

Для объяснения такого поведения натриевых каналов высказано предположение о суще­ствовании в каждом канале двух типов «ворот» — быстрых активационных и медленных инактивационных. Как следует из названия, на­чальный подъем g_Na связан с открыванием активационных ворот («процесс активации»), последующее падениеg_Na, во время продолжа­ющейся деполяризации мембраны, -с закры­ванием инактивационных ворот («процесс инактивации»).

гэО мВ

Потенциал действия

N a'Z

На рис. 8, 9 схематически изображена организация натриевого канала, облегчающая понимание его функций. Канал имеет наружное и внутреннее расши­рения («устья») и короткий суженный участок, так называемый селективный фильтр, в котором происходит «отбор» катионов по их размеру и свойствам. Судя по размеру наибольшего проникающего через натриевый канал катиона, отверстие фильтра не меньше 0,3—0,5 нм. При прохождении через фильтр рис. 9. Состояние натриевых и калиевых ка-ионы Na⁺ теряют часть своей гидратной оболочки, налов в различные фазы потенциалов дей-Активационные (т)и инактивационные(h) «воро- ствия (схема). Объяснение в тексте.

та* расположены в области внутреннего конца натриевого канала, причем «ворота» h обращены в сторону цитоплазмы. К такому заключению пришли на основании того факта, что приложение неко­торых протеолитических ферментов (проназы) к внутренней стороне мембраны приводит к устра­нению натриевой инактивации (разрушаетh-«ворота»).

В состоянии покоя «ворота» тзакрыты, тогда как «ворота» h открыты. При деполяризации в начальный момент «ворота» т и h открыты — канал находится в проводящем состоянии. Затем инактивационные ворота закрываются — канал инактивируется. После окончания деполяризации «ворота» h медленно открываются, а «ворота» тбыстро закрываются и канал возвращается в исход­ное покоящееся состояние.

Специфическим блокатором натриевых каналов является тетродотоксин,— соедине­ние, синтезируемое в тканях некоторых видов рыб и саламандр. Это соединение входит в наружное устье канала, связывается с какими-то пока неидентифицированными хими­ческими группами и «закупоривает» канал. Используя радиоактивно меченный тетродо­токсин, подсчитали плотность натриевых каналов в мембране. У различных клеток эта плотность варьирует от десятков до десятков тысяч натриевых каналов на квадратный микрон мембраны.

Функциональная организация калиевых каналов сходна с таковой натриевых кана­лов, различия лишь в их селективности и кинетике процессов активации и инактивации. Селективность калиевых каналов выше селективности натриевых: для Na⁺ калиевые каналы практически непроницаемы; диаметр их селективного фильтра около 0,3 нм. Акти­вация калиевых каналов имеет примерно на порядок более медленную кинетику, чем активация натриевых каналов (см. рис. 7). На протяжении 10 мс деполяризации g_K не об­наруживает тенденции к инактивации: калиевая инактивация развивается только при многосекундной деполяризации, мембраны.

Следует подчеркнуть, что такие соотношения между процессами активации и инактивации калиевых каналов характерны только для нервных волокон. В мембране многих нервных и мышечных клеток существуют калиевые каналы, которые сравнительно быстро инактивируются. Обнаружены также быстро активирующиеся калиевые каналы. Наконец, существуют калиевые каналы, которые активируются не мембранным потенциалом, а внутриклеточным Са²⁺.

Калиевые каналы блокируются органическим катионом тетраэтиламмонием, а так­же аминопиридинами.

Кальциевые каналы характеризуются медленной кинетикой процессов активации (миллисекунды) и инактивации (десятки и сотни миллисекунд). Их селективность оп­ределяется наличием в области наружного устья каких-то химических групп, обладаю­щих повышенным сродством к двухвалентным катионам: Са²⁺связывается с этими груп­пами и только после этого проходит в полость канала. Для некоторых двухвалентных катионов сродство к указанным группам настолько велико, что, связываясь с ними, они блокируют движение Са²⁺через канал. Так действует Мп²⁺. Кальциевые каналы могут быть блокированы также некоторыми органическими соединениями (верапамил, нифедипин), используемыми в клинической практике для подавления повышенной элек­трической активности гладких мышц.

Характерная особенность кальциевых каналов — их зависимость от метаболизма и, в частности, от циклических нуклеотидов (цАМФ и цГМФ), регулирующих процессы фосфорилирования и дефосфорилирования белков кальциевых каналов.

Скорость процессов активации и инактивации всех ионных каналов увеличивается с возрастанием деполяризации мембраны; соответственно увеличивается до некоторой предельной величины число одновременно открытых каналов.

МЕХАНИЗМЫ ИЗМЕНЕНИЯ ИОННОЙ ПРОВОДИМОСТИ

ВО ВРЕМЯ ГЕНЕРАЦИИ ПОТЕНЦИАЛА ДЕЙСТВИЯ

Известно, что восходящая фаза потенциала действия связана с повышением натрие­вой проницаемости. Процесс повышения g_Na развивается следующим образом.

В ответ на начальную деполяризацию мембраны, вызванную раздражителем, откры­вается лишь небольшое число натриевых каналов. Их открывание, однако, приводит к возникновению входящего внутрь клетки потока ионов Na⁺ (входящий натриевый ток), который увеличивает начальную деполяризацию. Это ведет к открыванию новых натрие­вых каналов, т. е. к дальнейшему повышениюg_Na соответственно входящего натриевого тока, а следовательно, к дальнейшей деполяризации мембраны, что, в свою очередь, обусловливает еще большее повышениеg_Na и т. д. Такой круговой лавинообразный процесс получил название регенеративной (т. е. самообновляющейся) деполяризации. Схематически он может быть изображен следующим образом:

Раздражитель > Деполяризация мембраны

i I

Входящий Повышение натриевый < ■ ■ натриевой ток проницаемости

Теоретически регенеративная деполяризация должна была бы завершаться повыше­нием внутреннего потенциала клетки до величины равновесного нернстовского потен­циала для ионов Na⁺:

р_ RT ,_n Nao^f

где Na₀⁺— наружная,a Nai⁺ — внутренняя концентрация ионовNa⁺,

При наблюдаемом соотношении — 10 Еы» = +55 мВ.

Эта величина является предельной для потенциала действия. В действительности, однако, пиковый потенциал никогда не достигает величины E_Na, во-первых, потому, что мембрана в момент пика потенциала действия проницаема не только для, ионовNa⁺, но и для ионов К⁺(в значительно меньшей степени). Во-вторых, подъему потенциала действия до величины E_Na противодействуют восстановительные процессы, ведущие к восстановлению исходной поляризации (реполяризация мембраны).

Такими процессами являются снижение значения g_Na и повышение уровняg_K-

Снижение g_Na обусловлено тем, что активация натриевых каналов во время деполя­ризации сменяется их инактивацией; это приводит к быстрому уменьшению числа откры­тых натриевых каналов. Одновременно под влиянием деполяризации начинается медлен­ная активация калиевых каналов, обусловливающая рост значенияgk. Следствием увели­чения g_K является усиление выходящего из клетки потока ионов К⁺(выходящий калие­вый ток).

В условиях понижения g_Na, связанного с инактивацией натриевых каналов, выходя­щий ток ионов К⁺приводит к реполяризации мембраны или даже к ее временной («сле­довой») гиперполяризации, как это имеет место, например, в гигантском аксоне кальмара (см. рис. 4).

Реполяризация мембраны в свою очередь ведет к закрыванию калиевых каналов и, следовательно, ослаблению выходящего калиевого тока. Вместе с тем под влиянием реполяризации происходит медленное устранение натриевой инактивации: открываются инактивационные ворота и натриевые каналы возвращаются в состояние покоя.

На рис. 9 схематически показано состояние натриевых и калиевых каналов в различ­ные фазы развития потенциала действия.

Все агенты, блокирующие натриевые каналы (тетродотоксин, местные анестетики и многие другие препараты), снижают крутизну нарастания и амплитуду потенциала дей­ствия и тем в большей степени, чем выше концентрация этих веществ.

3J

АКТИВАЦИЯ НАТРИЙ-КАЛИЕВОГО НАСОСА ПРИ ВОЗБУЖДЕНИИ

Возникновение серии импульсов в нервном или мышечном волокне сопровождается обогащением протоплазмы Na⁺ и потерей К⁺. Для гигантского аксона кальмара диамет­ром 0,5 мм подсчитано, что во время одиночного нервного импульса через каждый квадратный микрон мембраны в протоплазму поступает около 20 ОООNa⁺ и столько же К⁺покидает волокно. В итоге при каждом импульсе аксон теряет около одной миллион­ной общего содержания калия. Хотя эти потери очень незначительны, при ритмическом следовании импульсов, суммируясь, они должны были бы привести к более или менее заметным изменениям концентрационных градиентов.

Особенно быстро такие концентрационные сдвиги должны были бы развиваться в тонких нервных и мышечных волокнах и мелких нервных клетках, обладающих малым по отношению к поверхности объемом цитоплазмы. Этому, однако, противодействует натриевый насос, активность которого возрастает при повышении внутриклеточной кон­центрации ионов Na⁺.

Усиление работы насоса сопровождается значительным повышением интенсивности обменных процессов, поставляющих энергию для активного переноса ионов Na⁺ и К⁺ через мембрану. Это проявляется усилением процессов распада и синтеза АТФ и креатин- фосфата, увеличением потреблении клеткой кислорода, повышением теплопродукции и т. п.

Благодаря работе насоса нарушенное при возбуждении неравенство концентраций Na⁺ и К⁺по обе стороны мембраны полностью восстанавливается. Следует, однако, подчеркнуть, что скорость выведенияNa⁺ из цитоплазмы с помощью насоса относительно мала: она примерно в 200 раз ниже скорости движения этих ионов через мембрану по концентрационному градиенту.

Таким образом, в живой клетке существует две системы движения ионов через мембрану (рис. 10). Один из них осуществляется по градиенту концентрации ионов и не требует затраты энергии, поэтому его называют пассивным ионным транспортом.Он ответствен за возникновение потенциала покоя и потенциала действия и ведет в конечном итоге к выравниванию концентрации ионов по обе стороны клеточной мембраны. Второй тип движения ионов через мембрану, осуществляющийся против концентрационного гра­диента, состоит в «выкачивании» ионов натрия из цитоплазмы и «нагнетании» ионов калия внутрь клетки. Этот тип ионного транспорта возможен лишь при условии затраты энергии обмена веществ. Его называют активным ионным транспортом.Он ответствен за поддержание постоянства разности концентраций ионов между цитоплазмой и омы­вающей клетку жидкостью. Активный транспорт — результат работы натриевого насоса, благодаря которому восстанавливается исходная разность ионных концентраций, нару­шающаяся при каждой вспышке возбуждения.

Риг. 10. Две системы транспорта ионов через мембрану.

Снаружи

Na иного К мало

Na*

Обмен веществ

Мембрана

гЧ.

Вмутри Na иа.чо К много

Справа — движение ионов Na"¹" н К^ по ионным каналам но время возбуждения в соответствии с концентрационным и электрическим градиентами. Слева — активный гран спорт но нов против концен­трационного градиента за счет энергии метаболиз­ма {«катриеиый нагое» ). Активный трапе порт обес­печивает поддержу кие и восстановление ионных градиентов, изменяющихся ао время импульсной активности. Пунктирной линией обизначена та часть оттокаNa ¹, которая не исчезает при удале­нии и.1 наружного раствора попов К^ (Хиджкин А., 1965].

МЕХАНИЗМ РАЗДРАЖЕНИЯ КЛЕТКИ (ВОЛОКНА) ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ

В естественных условиях генерацию потенциала действия вызывают так называемые лестные токи, возникающие между возбужденным (деполяризованным) и покоящимся участками клеточной мембраны. Поэтому электрический ток рассматривается как аде- сватный раздражитель для возбудимых мембран и успешно используется в эксперимен­тах при изучении закономерностей возникновения потенциалов действия.

Минимальную силу тока, необходимую и достаточную для инициации потенциала (ействия, называют пороговой,соответственно раздражители большей и меньшей силы >бозначают подпороговыми и сверхпороговыми. Пороговая сила тока (пороговый ток)i определенных пределах находится в обратной зависимости от длительности его дейст- ;ия. Существует также некоторая минимальная крутизна нарастания силы тока, ниже :оторой последний утрачивает способность вызывать потенциал действия.

Существуют два способа подведения тока к тканям для измерения порога раздражения и, ледовательно, для определения их возбудимости. При первом способе — внеклеточном — оба лектрода располагают на поверхности раздражаемой ткани. Условно принимают, что приложен­ий ток входит в ткань в области анода и выходит в области катода (рис. 11). Недостаток этого [етода измерения порога заключается в значительном ветвлении тока: только часть его проходит ерез мембраны клеток, часть же ответвляется в межклеточные щели. Вследствие этого при раз- ражении приходится применять ток значительно большей силы, чем необходимо для возникновения озбуждения.

При втором способе подведения тока к клеткам — внутриклеточном — микроэлектрод вводят клетку, а обычный электрод прикладывают к поверхности ткани (рис. 12). В этом случае весь ток [роходит через мембрану клетки, что позволяет точно определить наименьшую силу тока, необходи- [ую для возникновения потенциала действия. При таком способе раздражения отведение потен- [иалов производят с помощью второго внутриклеточного микроэлектрода.

Пороговая сила тока, необходимая для возникновения возбуждения различных клеток при нутриклеточном раздражающем электроде, равна 10"⁷— 10"⁹А.

В лабораторных условиях и при проведении некоторых клинических исследований для раз- [ражения нервов и мышц применяют электрические стимулы различной формы: прямоугольной, инусоидальной, линейно и экспоненциально нарастающей, индукционные удары, конденсаторные |азряды и т. п.