Разное / Всякое / Физика темы 1-52 расширенный курс / 19.Натриевые и калиевые каналы в мембране и их роль в биоэлектрогенезе

19.Натриевые и калиевые каналы в мембране и их роль в биоэлектрогенезе. Воротный механизм. Особенности потенциалзависимых каналов. Механизм возникновения потенциала действия. Состояние каналов и характер ионных потоков в разные фазы ПД. Роль активного транспорта в биоэлектрогенезе. Критический мембранный потенциал. Закон «все или ничего» для возбудимых мембран. Рефрактерность.

Выяснилось, что селективный фильтр обладает «жесткой» структурой, то есть не изменяет свой просвет в разных усло­виях. Переходы канала из открытого состояния в закрытое и обратно связаны с работой не селективного фильтра, воротного механизма. Под воротными процессами, происходящими в той или иной части ионного канала, которая называется воротами, понимают всякие изменения конформации белковых молекул, образующих канал, в результате которых его пара может открываться или закрываться. Следовательно, воротами принято называть функциональные группы белковых молекул, ко­торые обеспечивают воротные процессы. Важно, что ворота приводятся в движение физиологическими стимулами, то есть такими, которые присутствуют в естественных условиях. Сре­ди физиологических стимулов особую роль играют сдвиги мембранного потенциала.

Существуют каналы, которые управляются разностью по­тенциалов на мембране, будучи открытыми при одних значе­ниях мембранного потенциала и закрытыми — при других. Та­кие каналы называются потенциалзависимыми. Именно с ни­ми связана генерация ПД. Ввиду их особой значимости все ионные каналы биомембран подразделяют на 2 типа: потенциалзависимые и потенциалнезависимые. Естественными сти­мулами, управляющими движением ворот в каналах второго типа служат не сдвиги мембранного потенциала, а другие фак­торы. Например, в химиочувствительных каналах роль управ­ляющего стимула принадлежит химическим веществам.

Существенным компонентом потенциалзависимого ионного канала является сенсор напряжения. Так называют группы белковых молекул, способные реагировать на изменения элек­трического поля. Пока нет конкретных сведений о том, что они собою представляют и как расположены, но понятно, что электрическое поле может взаимодействовать в физической среде только с зарядами (либо свободными, либо связанны­ми). Было предположение, что сенсором напряжения служит Са²+ (свободные заряды), так как изменения его содержания в межклеточной жидкости приводят к таким же последстви­ям, как и сдвиги мембранного потенциала. Например, десяти­кратное снижение концентрации ионов кальция в интерстиции эквивалентно деполяризации плазматической мембраны при­близительно на 15 мВ. Одн-ко в дальнейшем оказалось, что Са²⁺ необходим для работы сенсора напряжения, но сам не является им. ПД генерируется даже тогда, когда концентра­ция свободного кальция в межклеточной среде падает ниже 10~⁸ моль. Кроме того, содержание Са²⁺ в цитоплазме вооб­ще мало влияет на ионную проводимость плазмолеммы. Очевидно, сенсором напряжения служат связанные заря­ды — группы белковых молекул, обладающие большим дипольным моментом. Они погружены в липидный бислой, ко­торому свойственны довольно невысокая вязкость (30 — 100 сП) и низкая диэлектрическая проницаемость. К такому заключению привело изучение кинетических характеристик движения сенсора напряжения при сдвигах мем­бранного потенциала. Это движение представляет собой типичный ток смещения.

Современная функциональная модель натриевого потен­циалзависимого канала предусматривает существование в нем двух типов ворот, работающих в противофазе. Они отличаются инерционными свойствами. Более подвижные (легкие) на­званы m-воротами, более инерционные (тяжелые) — h – воротами. В покое h-ворота открыты, m – ворота закрыты, движение Na+ по каналу невозможно. При деполяризации плазмолеммы ворота обоих типов приходят в движе­ние, но в силу неодинаковой инерции m-ворота успевают

открыться раньше, чем закроются h-ворота. В этот миг натриевый канал открыт и Na+ устремляется по нему в клетку. Запаздывание движения h-ворот относительно m-ворот соответствует длительности деполяризационной фазы ПД. Когда же h-ворота закроются, поток Na⁺ сквозь мембрану прекратится и нач­нется реполяризация. Затем происходит возврат h - и m - ворот в исходное состояние. Потенциалзависимы натриевые каналы активируются (включаются) при быстрой (скачкообразной) деполяризаций плазматической мембраны. ,

ПД создается за счет более быстрой диффузии сквозь плазматическую мембрану ионов натрия по сравнению с анионами, образующими с ним соли в межклеточной среде. Следовательно, деполяризация связана с вхождением в цитоплазму катионов натрия. При развитии ПД в клетке не накапливается натрий. При возбуждении наблюдается входящий и выходящий потоки натрия. Возникновение ПД обусловлено не нарушением ионных концентраций в цитоплазме, а падением электрического сопротивления плазматической мембраны вследствие повышения ее проницаемости для натрия.

Как уже говорилось, под действием порогового и надпорогового раздражителей возбудимая мембрана генерирует ПД. Для этого процесса характерен закон «все или ничего. Он является антитетой градуальностия. Смысл закона состоит в том, что параметры ПД не зависят от интнетсивности раздражителя. Как только достигается КМП, изменения разности потенциалов на возбудимой мембране определяются только свойствами её потенциалзависимых ионных каналов, которые обеспечивают входящий ток. Среди них внешний1 стимул открывает только самые чувствительные. Другие открываются за счет предыдущих, уже независимо от раздражителя. Говорят о спантанном характере процесса вовлечения в трансмембранный перенос ионов всё новых потенциалзависимых ионных каналов. Поэтому амплитуда. Длительность, крутизна переднего и заднего фронтов ПД зависит только от ионных градиетнов на клеточной мембране и кинетических характеристик её каналов. Закон «всё или ничего» - характернейшее свойство одиночных клеток и волокон, обладающтх возбудимой мембраной. Большинству многоклеточных образований он не свойственен. Исключение составляют структуры, организованные по типу синцития.

РЕФРАКТЕРНОСТЬ

Рефрактерность – изменение возбудимости при возбуждении. Выделяют три основные стадии. Их принято называть фазами

Развитие возбуждения вна­чале сопровождается полной утратой возбудимости (S=0). Это состояние называют абсолютно рефрактерной фазой (АРФ). Она соответствует времени деполяризации возбудимой мембраны (переходу мембранного потенциала от уровня ПП до пиковой течки ПД, то есть до максимального значения по­тенциала инверсии), В течение АРФ возбудимая мембрана не может генерировать новый ПД, даже если на нее подейство­вать сколь угодно сильным раздражителем. Природа АРФ состоит в том, что во время деполяризации все потенциалзависимые ионные каналы находятся в открытом состоя­нии, и дополнительные стимулы не могут вызвать воротный процесс .

АРФ сменяется относительно рефрактерной фазой (ОРФ). В течение которой возбудимость от нуля возвращается к исходному уровню (So). ОРФ совпадает с реполяризацией возбудимой мембраны. С течением времени во все большем числе потенциалзависимых ионных каналов завершаются воротные процессы, с которыми было связано предшествующее возбуждение, и каналы вновь обретают способность к. следующему переходу из закры­того в открытое состояние под действием очередного стимула,

За ОРФ следует фаза экзальтации (ФЭ), для которой характерна повышенная возбудимость (S>S₀). Она ,очевидно, связана с изменением свойств сенсора напряжения во время возбуждения. За счет перестройки конформации белковых Молекул изменяются их дипольные моменты, что приводит к повышению чувствительности сенсора напряжения к сдвигам мембранного потенциала.