фізіологія Плиска остання

Серія клітинних циклів, як правило, закінчується загибеллю клітини. Вони бувають двох видів: некроз і апоптоз. Перший виникає внаслідок дії на клітину пошкоджуючих фізичних, хімічних або біологічних факторів. Морфологічні прояви ранніх етапів пошкодження клітини є їх округлення, втрата відростків і мікроворсинок, Потім набрякають мітохондрії, вакуолізуються цистерни ендоплазматичної сітки, збільшується кількість лізосом і аутофагосом. Ядро піддається пікнозу (зморщування ядерного матеріалу з утворенням щільної гіперхромної маси), каріорексису (розпад на окремі фрагменти) і каріолізису (розчинення залишків ядерного матеріалу). У другому випадку запрограмована загибель клітини виникає без первинного пошкодження. Це — активний генетично контрольований процес, який індукується особливими кілерними генами. Апоптоз є поширеним фізіологічним явищем в ембріогенезі, а в окремих випадках і в дорослому організмі. Його морфологічними проявами є ущільнення ядра, конденсація хроматину у вигляді напівмісяця. Ядро розпадається на «мікроядра», оточені ядерною оболонкою. Виникає конденсація і наступна фрагментація цитоплазми. Від клітини відділяються так звані апоптозні тільця — фрагменти, які містять «мікроядра». Апоптозні тільця фагоцитуються макрофагами або лізуються.

Апоптоз — запрограмована загибель клітини, обумовлена міжнуклеосомною деградацією ДНК, реалізується через ендонуклеази і каспази — сімейства протеолітичних ензимів (ІСЕ-подібних протеаз).

Кожнасоматичнаклітинаміститьусюгенетичну інформацію, закладену в заплідненому яйці, з якого ця клітина розвинулася. Під час диференціювання, коли клітина стає м'язовою, нервовою, секреторною, більша частина її ДНК згортається в щільні клубки разом знабором ядерних білків, що гальмують транскрипцію. Така ДНК стійка до гідролізу під дією ДНК-ази І. Менше 10% ДНК зберігає чутливість до ДНК-ази І і складається з трьох видів: а) транскрипційно неактивна протягом усього життя клітини («мовчазна»); б) постійно експресивна; в) індукована гормонами або іншими сигнальними системами прямо чи опосередковано через метаболіти й невідомий медіатор. Ядерний хроматин містить ДНК, білки, що включають багаті аргініном і лізином (це надає їм лужної реакції, і вони називаються гістонами) та різні негістонові кислі білки. Гістони відіграють основну роль у забезпеченні щільності упакування ДНК, а отже, й її доступності для транскрипції тагормональної індукції.

34

II. ФІЗІОЛОГІЯЗБУДЛИВИХТКАНИН

Загальна фізіологія збудливих тканин. Потенціал спокою і потенціал дії нервових і м'язових волокон

Для прикладу розглянемо план будови нервових клітин (рис. 8). Вони складаються із соми (тіло з ядром) і відростків (нервові волокна) — дендритів і аксонів. Волокна в свою чергу складаються з осьового циліндра, його мембрани, оболонки, перехватів Ранв'є. Для них характерні збудливість, провідність, рефрактерність і лабільність.

Мієлінова оболонкаЛл „ . .. УАксони

QcboeuuЛ циліндр J

Ядрошвановськоїклітини

Перехват Ранв'є

. Цитоплазмашвановської клітини

• Нейрофіламенти

Мікротрубочки

Рис. 8. Будованервової клітини:

а— тіло(сома) мотонейроназпроксимальнимаксоном; б— поперечнийзрізаксона, наякомувидно розміщення мієлінових пластиноквідносно осьового циліндра і цитоплазми швановської клітини; в — збільшена частина осьового циліндра, щоб можнабуло бачити мікротрубочки інейрофіламенти; г— дистальна частина аксоназйого нервовим закінченням (збільшено)

35

Функція нервових волокон полягає в передаванні інформації від рецепторів до центрів центральної нервової системи (ЦНС) або навпаки — від їїцентрівдоорганів-ефекторівчерезпроведеннянер- вових імпульсів. Нервові імпульси відіграють роль «носіїв інформації», тобто за їх допомогою здійснюється передавання інформації нервовими волокнами. Нервові імпульси є окремим видом збудження.

Збудження — це процес (у вигляді складної реакції на подразнення) на мембрані й у прилеглому шарі цитоплазми зі зміною проникності та появою іонних струмів, наслідком яких є розвиток певного електричного потенціалу. Воно властиве нервовим, м'язовим та залозистим клітинам, і тому вони називаються збудливими. Проявомзбудженняєпотенціалдії, айогопараметрами— показники збудження. Взагалі будь-яка тканина відповідає на подразнення, але це тільки подразливість. Приміром, соняшник повертає свою «шапку» за рухом сонця внаслідок конформаційних змін білків стовбура під впливом тепла і світла.

Властивість клітин відповідати на подразнення збудженням називається збудливістю. Лабільність — здатність відтворити частоту подразнення. Процес збудження розвивається на мембрані на подразнення (на дію певного чинника). Подразники бувають адекватні (викликають виникнення збудження при мінімальній, пороговій силі подразника) і неадекватні (викликають виникнення збудження при надмірній дії чинника). В останньому випадку часто розвиток процесу збудження супроводжується больовою реакцією. Будь-яка рефлекторна дуга складається зі збудливих клітин. Через збудження в рефлекторній дузі відбувається сприйняття, кодування, передавання й переробка інформації. Щоб зрозуміти механізм походження нервових імпульсів, необхідно перш за все розглянути, в якому стані знаходиться мембрана збудливої клітини у спокої.

Гальваніпершийу«балконному» досліді(заднілапкижабинамідному гачку від вітру коливалися та торкалися залізного балкона) довів наявність «живої електрики». Вольта вважав, що це обумовлено існуванням «гальванічноїпари» залізо— мідь. ТодіГальваніпідтвердивсвійздогаднакидуваннямнерваміжпошкодженоюінепошкодженоюділянкамим'язаз наступнимскороченнямінтактногом'яза.

Мембранний потенціал спокою на внутрішній поверхні мембрани має негативний знак відносно нульового потенціалу землі. Його величина дорівнює:

£пс = - (60-70) мВ.

36

Потенціал спокою (дифузійний потенціал) — це трансмембранна різниця потенціалів, яка виникає на межі поділу клітинною мембраною цитоплазми і навколишнього середовища. Умови виникнення потенціалу спокою: а) наявність градієнта концентрації іонів між цитоплазмою і позаклітинним простором (внутрішньоклітинна концентрація К+ переважає позаклітинну в 50 разів; Na+ — навпаки, більше зовні, ніж усередині клітини, в 10 разів); б) вибіркова проникність у стані спокою клітинної мембрани «тільки» для К+. Зовні також більше Са2+ і СІ". Через це іони К+ за концентраційним градієнтом виходять з клітини. Тільки-но один з них, позитивно заряджений, вийде, всередині залишиться неспарений аніон (наприклад, СІ", SO/'). Багато внутрішньоклітинних аніонів представлено великими іонами білків (А"). Це означає, що виникла різниця потенціалів між внутрішньою і зовнішньою поверхнями мембрани. Виходити іони К+ будуть доти, поки вони як позитивно заряджені не почнуть притягуватись утвореним негативним електричним полем усередині клітини. Нарешті настане така рівновага, коли кількість іонів К+, що вийшли за концентраційним градієнтом, дорівнюватиме кількості іонів, що ввійшли за електричним градієнтом у зв'язку з виникненням електрорушійної сили (ЕРС). Точніше, ЕРС дорівнює нулю, коли потенціал спокою дорівнює рівноважному потенціалові даних іонів і виникає при найменшому його відхиленні. Вона протидіятиме тепер виходу інших іонів К+. Це буде рівноважний калієвий потенціал, який дорівнює величині потенціалу спокою і описаний формулою Нернста:

F [К,*]

де R — газова постійна, Т — абсолютна температура, F — число Фарадея, Ко+ — концентрація іонів калію поза клітиною, К^ — концентрація іонів калію всередині клітини.

Якщо за допомогою мікроелектрода, введеного внутрішньоклітинно, виміряти цю різницю потенціалів, то виявиться, що розрахункова і знайдена експериментально величини відрізнятимуться. Обумовлено це тим, що в стані спокою мембрана проникна, хоча й значно меншою мірою, і для інших іонів. Відносна проникність мембрани становить: Рк : PNa: Рс1= 1 : 0,16 : 0,61. Рух цих іонів через мембрану також впливатиме на величину потенціалу спокою. Проте якщо врахувати проникність (величина, зворотна опорові) мембрани для всіх іонів у рівнянні Гольдмана-Ходжкіна-Катца (рівняння постійного поля), то розрахункова і експериментальна величини потенціалу спокою знову не збіжаться:

37

E - RT In PK [KQ1 + PNa [Na°+] + P° [C1'"]'" +

де PK, PNa, Pcl — проникність мембрани для відповідних іонів, інше — як і в попередній формулі.

Це обумовлено роботою калій-натрій-аденозинтрифосфатази («іонної помпи»). Робота цієї помпи внаслідок розщеплення енергії АТФ створює градієнт концентрації іонів (фактично потенціал спокою) та генерує додаткову різницю потенціалів, яка сумується з уже описаною вище. Разом це буде шуканий потенціал спокою.

Підтримання градієнта концентрації іонів цією помпою пов'язано з тим, що без неї пасивний вхідний натрієвий струм (шунтувальний вихідний калієвий) поступово призвів би до зрівнювання поза- і внутрішньоклітинної концентрації іонів.

Робота калій-натрієвої помпи полягає в тому, що вона, використовуючи енергію розщеплення АТФ, викачує з клітини три іони Na+ і закачує лише два іони К+. Це створює додаткову різницю потенціалів, яка сумується з Епс.

Таке активне спряжене перенесення названих іонів здійснюється спеціальним переносником. Цей переносник складається з двох субодиниць а-ліпопротеїна і р-глікопротеїна, маючи форму X (два місця зв'язування), зовні приєднує іони К+ і транспортує їх в клітину. Внутрішньоклітинно він віддає іони К+, перетворюється на форму Y (три місця зв'язування), приєднує іони Na+ і транспортує їх проти електрохімічного градієнта назовні. Позаклітинно, звільняючись від іонів Na+, переносник знову набуває форми X. Енергія витрачається в ендотермічній реакції внутрішньоклітинно на перетворення молекули переносника з форми X на форму У. Це значно зменшує витрати АТФ. Заблокувати роботу калій-натрієвої помпи можна глікозидом оубаїном (строфантином — специфічно з'єднується з ділянкою зв'язування іонів К+) або динітрофенолом.

Зареєструвати потенціал спокою можна внутрішньоклітинним методом (рис. 9, а) та методом пошкодження (рис. 9, б), реєструючи стр^м пошкодження між пошкодженою і непошкодженою ділянками м'яза. Його існування свідчить про наявність різниці потенціалів між внутрішньоклітинним

іпозаклітинним просторами, а тим самим про наявність потенціалу спокою.

Увипадку сахарозного містка (рис. 9, в) заміна фізіологічного розчину ізотонічним розчином КСІ деполяризує мембрану й усуває трансмембранний потенціал і значно зменшує опір мембрани у цій ділянці, що рівнозначно під'єднанню до внутрішньоклітинного вмісту волокна. Тому один електрод виявляється підключеним до зовнішньої мембрани в ділянці волокна, що міститься у фізіологічному розчині; другий, через внутрішньоклітинний простір, — до внутрішньоклітинної сторони мембрани цієї ділянки. Це — одинарний сахарозний місток.

38

Рис. 9. Методиреєстраціїпотенціалуспокою (рис. в-е друкуються з дозволу М. Ф. Шуби)

Подвійний сахарозний місток (рис. 9, г) крім реєстрації потенціалу спокоюдозволяєподразнюватисмужкуелектричнимструмомтазніматипараметри збудження. Нарисунках9, д і9, єпоказанімодифікаціїподвійногосахарозногомістка.

Параметрами потенціалу спокою єйогоабсолютна величина, полярність та можливість існувати необмежено тривалий час в незмінному вигляді при відсутності подразників. Фізіологічна роль потенціалу спокою полягає в потенційній можливості виникнення потенціалу дії. Вплив потенціалу спокою на трансмембранний обмін речовин сприяє або протидіє пасивному й активному транспорту речовин у клітину та навпаки. Величина потенціалу спокою в нормі у різних клітинах становить від -50 до -90 мВ .

Потенціал дії. Стрибкоподібну зміну потенціалу мембрани на збудженій ділянці зі зміною її знаку на протилежний називають

потенціаломдії.

Умовивиникненняпотенціалудії: а) наявністьградієнтаконцентрації іонів (позаклітинна концентрація Na+ значно перевищує таку в цитоплазмі й навпаки — внутрішньоклітинна концентрація К+ переважає позаклітинну); б) зміна іонної провідності мембрани при дії подразникапорогової(надпорогової) сили.

Якщо ділянці клітинної мембрани заподіяти подразнення надпороговимелектричнимструмом, тоцевикличе часткову їїдеполяризацію (зменшення абсолютної величини потенціалу спокою). Це — фаза наростання. Як наслідок — відкриття (відкриваються активаційні w-ворота — рис. 10) частини швидких потенціалзалежних

39

Длявивченнявеличинитихабоіншихструмівкористуютьсяметодом фіксаціїпотенціалу. Уцьомуразіоднимелектродомзамірюютьвеличину

40

мембранного потенціалу, через другий пропускають струм, що дорівнює тому, який виникає при задаванні командного потенціалу, довільно встановленого експериментатором. Заблокувавши одні канали, можнавиділитиокреміструми. Оскільки «ворота» самі мають заряд, то їх відкриття і закриття само створює електричні струми надзвичайно малої величини («воротні струми»). Реєстрація цих струмівможлива задопомогою спеціальних накопичувачів, які відфільтровують електричні шуми, сумуючи електричні струмиворіт.

Для дослідження струму, який протікає через окремий канал, використовують метод локальної фіксації потенціалу (patch-clamp). Шляхом розрідження в мікропіпетці, розміщеній на поверхні клітинноїмембрани, їїкінчиквсмоктуєділянку мембрани площею « 1 мк2. Струми каналів можна реєструвати за допомогою підсилювачів у звичайних умовах та під дією різнихфармакологічних речовин.

Для дослідження певних струмів існують специфічні блокатори тих або інших каналів: тетродоксин — для

натрієвих, тетраетиламоній — для калієвих. Специфічність каналів відносна, тобто вонидуже мало проникні й для інших іонів. Теоретично амплітуда потенціалу дії повинна дорівнювати величині рівноважного нернстового потенціалу для Na+:

RT

^пд

Однак практично величина потенціалу дії залежить від поза- і внутрішньоклітинної концентрації іонів Na+ та градієнта концентрації іонів К+, величин натрієвої і калієвої проникностей мембрани. Певною мірою впливатимуть концентрації та проникність мембрани для інших іонів (Са2+, СІ",...).

У кінці потенціалу дії реполяризація значно сповільнюється, і в окремих випадках величина мембранного потенціалу може навіть перевищити величину потенціалу спокою. Ці зміни мембранного потенціалу мають назву деполяризаційного та гіперполяризаційного

41

слідових потенціалів. Вважають, що слідова гіперполяризація (збільшення абсолютної величини потенціалу спокою) обумовлена більш тривалим, ніжнеобхідно, виходоміонівК+; роботою електрогенної натрієвої помпи, яка викачує тривалий час даний іон. Це підтверджується тим, що вона зникає при блокаді калій-натрієвої помпи динітрофенолом. У кардіоміоцитах її робота можлива внаслідок наявності Т-трубочок, де концентрація іонів Na+ тимчасово може стати більшою, ніж узагалі позаклітинна. При гіперполяризації збудливість знижується, деполяризації — підвищується (рис. 12).

Незважаючи на значний вхідний натрієвий струм на піку деполяризації, загалом співвідношення внутрішньо- і зовнішньоклітинної кон-

центрацій іонів Na+ змінюється дуже мало. Це означає, що для підтримання градієнта концентрації іонів потрібна невелика кількість енергії. Тому нервовеволокноможегенеруватипотенціалидії звисокою частотою протягом кількох годин, практично не втомлюючись. Проникнення іонів у цитоплазму крім деполяризації має впливи й на метаболізм клітини та її пластичні процеси.

Підвищенняпроникностімембранивикликаютьіонофори— переносникиіонів(валіноміцин) таутворюючііонніканали(граміцидин).

Реєстрація потенціалу дії здійснюється біполярно (за допомогою внутрішньоклітинно введеного мікроелектрода і накладених електродів зверху — внутрішньо- і позаклітинні методи) або монополярно, якщо неактивний (референтний) електрод заземлений, має значно більші розміри порівняно з активним чи розміщений над пошкодженою ділянкою волокна. У цьому разі його потенціал приймають за «0», і вимірювання проводять відносно нього.

Зареєстрованими параметрами потенціалу дії є: його абсолютна величина, тривалість, крутизна наростання, швидкість поширення, довжина хвилі, зміна полярності під час розвитку. їх величинизалежать від «функціонального стану» клітини.

Фізіологічна роль потенціалу дії полягає в можливості кодування та передаванні інформації. Абсолютна величина потенціалу

42