- •Раздел I введение в физиологию
- •Глава 1
- •1.1. Профилизация преподавания физиологии
- •1.2. Периоды развития организма человека
- •1.3. Основные физиологические понятия
- •1.4. Надежность физиологических систем
- •1.5. Характеристика процессов старения
- •1.6. Биологический возраст
- •Глава 2
- •2.1. Функции клетки
- •2.2. Функции клеточных органелл
- •2.5. Механизмы транспорта веществ через клеточную мембрану
- •Глава 3
- •3.1. Нервный механизм регуляции
- •3.2. Характеристика гормональной регуляции
- •3.3. Регуляция с помощью метаболитов и тканевых гормонов. Миогенный механизм регуляции
- •3.4. Единство и особенности регуляторных механизмов. Функции гематоэнцефалического барьера
- •3.5. Системный принцип регуляции
- •3.6. Типы регуляции функций организма и их надежность
- •4.3. Потенциал действия (пд)
- •4.5. Изменения возбудимости клетки во время ее возбуждения. Лабильность
- •4.7. Действие постоянного тока на ткань
- •Глава 5
- •5.1. Общая физиология сенсорных рецепторов
- •1. Двустороннее проведение возбуждения.
- •Глава 6
- •6.2. Гладкие мышцы
- •6.4. Изменения мышечной ткани в процессе старения
- •7Л. Функции центральной нервной системы
- •2. Регуляция работы внутренних органов
- •1. Двустороннее проведение возбуждения.
- •Глава 6
- •6.2. Гладкие мышцы
- •6.4. Изменения мышечной ткани в процессе старения
- •V Глава 7 общая физиология центральной нервной системы
- •7Л. Функции центральной нервной системы
- •2. Регуляция работы внутренних органов
- •7.4. Медиаторы и рецепторы цнс
- •7.6. Особенности распространения возбуждения в цнс
- •3. Иррадиация (дивергенция) возбуждения в
- •7.7. Свойства нервных центров
- •7.10. Интегрирующая роль нервной системы
- •Глава 8
- •8.1. Спинной мозг
- •8.2. Ствол головного мозга
3.6. Типы регуляции функций организма и их надежность
А. Надежность регуляторных механизмов.
При отсутствии патологии органы и системы обеспечивают такой уровень процессов и показателей, который необходим организму согласно его потребностям в различных условиях жизнедеятельности. Это достигается благодаря высокой надежности функционирования регуляторных механизмов.
{.Их несколько, и они дополняют друг друга: нервный, гуморальный (гормоны, метаболиты, тканевые гормоны, медиаторы) и миогенный.
-
Каждый механизм может оказывать раз нонаправленные влияния на орган: напри мер, симпатический нерв тормозит сокраще ние желудка, а парасимпатический нерв — усиливает. Множество химических веществ стимулирует или тормозит деятельность раз личных органов. Например, адреналин тор мозит, серотонин усиливает сокращения же лудка и кишечника.
-
Каждый нерв (симпатический и пара симпатический) при наличии тонуса и изме нении степени его выраженности и любое ве щество, циркулирующее в крови, при изме нении его концентрации также могут вызы вать двоякий эффект. Например, симпати ческий нерв и ангиотензин сужают кровенос ные сосуды; естественно, что при уменьше нии их активности сосуды расширяются. Блуждающий нерв тормозит работу сердца, уменьшение его тонуса сопровождается уча щением сердечных сокращений.
-
Симпатические и парасимпатические отделы вегетативной нервной системы взаи модействуют между собой. Например, выде ляющийся из парасимпатических окончаний ацетилхолин действует не только на клетки- эффекторы органа, но и тормозит выброс но- радреналина из рядом расположенных сим патических терминалей. Это резко увеличи вает эффект действия самого ацетилхолина на орган (подробнее см. раздел 9.8).
-
Уровень гормонов в крови надежно ре гулируется. Например, кортикотропин (АКТГ) стимулирует выработку гормонов коры надпочечников, однако избыточный их уровень посредством обратной отрицатель ной связи (см. раздел 3.6: Б-1) угнетает выра ботку самого АКТГ, что ведет к снижению выделения кортикоидов.
6. Если продолжить цепочку этого анализа до конечного звена — приспособительного результата (поддержание показателей организма на оптимальном уровне), то обнаружим несколько путей их системной регуляции. Так, например, необходимый для организма уровень артериального давления поддерживается за счет: 1) изменения интенсивности работы сердца, 2) регуляции просвета сосудов, 3) количества циркулирующей жидкости, что реализуется с помощью перехода жидкости из сосудов в ткани и обратно и с помощью изменения ее объема, выводимого с мочой, депонирования крови или выхода ее из депо и циркуляции по сосудам организма.
Таким образом, комбинация различных вариантов регуляторных механизмов с учетом того, что каждый из них обеспечивается несколькими или даже несколькими десятками гуморальных факторов, дает общее число этих вариантов, исчисляемое сотнями! Это и обеспечивает весьма высокую степень надежности системной регуляции процессов и показателей даже в экстремальных условиях и при патологических процессах в организме.
И наконец, надежность системной регуляции функций организма высока еще и потому, что имеется два типа регуляции.
Б. Типы регуляции. В литературе встречается несколько терминов, противоречащих друг другу.
В частности, деление регуляции на типы по отклонению и по возмущению некорректно: в обоих случаях есть возмущающий фактор. Например, возмущающим фактором является отклонение регулируемого показателя от нормы (регуляция по отклонению), т.е. тип регуляции по отклонению без возмущающего фактора не реализуется. В зависимости от момента включения регуляторных механизмов относительно изменения показателя организма от нормальной величины следует выделить регуляцию по отклонению и регуляцию по опережению. Эти два термина включают все другие и исключают терминологическую путаницу.
1. Регуляция по отклонению — циклический механизм, при котором всякое отклонение от оптимального уровня регулируемого показателя мобилизует все аппараты функциональной системы к восстановлению его на прежнем уровне. Регуляция по отклонению предполагает наличие в составе системного комплекса канала отрицательной обратной связи, обеспечивающего разнонаправленное влияние — усиление стимулирующих механизмов управления в случае ослабления показателей процесса или ослабле-
42
кие стимулирующих механизмов в случае чрезмерного усиления показателей процесса. В отличие от отрицательной обратной связи положительная обратная связь, встречающаяся в организме редко, оказывает только однонаправленное влияние на развитие процесса, находящегося под контролем управляющего комплекса. Поэтому положительная обратная связь делает систему неустойчивой, неспособной обеспечить стабильность регулируемого процесса в пределах физиологического оптимума. Например, если бы артериальное давление регулировалось по принципу положительной обратной ^связи, в случае снижения артериального давления действие регуляторных механизмов привело бы к еще большему его снижению, а в случае повышения — к еще большему его увеличению. Примером положительной обратной связи является усиление начавшейся секреции пищеварительных ^соков в желудке после приема пищи, что осуществляется с помощью продуктов гидролиза, всосавшихся в кровь.
В качестве примера регуляции с положительной обратной связью называют также развитие быстрой деполяризации мембраны во время потенциала действия (взаимоусиление деполяризации и проницаемости мембраны для Na+ — см. раздел 4.3). Однако это некорректно, так как данный пример вообще не демонстрирует какого-либо типа регуляции функций органов или систем организма.
Таким образом, функциональные системы поддерживают своими саморегуляторны-ми механизмами основные показатели внутренней среды в диапазоне колебаний, не нарушающих оптимального хода жизнедеятельности организма. Из этого вытекает, что представление о показателях внутренней среды организма как стабильных величинах относительно. Вместе с тем выделяют «жесткие» показатели, которые поддерживаются соответствующими функциональными системами на сравнительно фиксированном уровне и отклонение которых от этого уровня оказывается минимальным, так как чревато серьезными нарушениями метаболизма. Выделяют также «пластичные», «мягкие» показатели, отклонение которых от оптимального уровня допускается в широком физиологическом диапазоне. Примерами «жестких» показателей являются уровень осмотического давления, величина рН; «пластичных» — величины кровяного давления, температуры, концентрация питательных ве-шеств крови.
В учебной и научной литературе встречаются также понятия «установочная точка» и «заданное значение» того или иного параметра. Эти понятия позаимствованы из технических дисциплин. Отклонение параметра от заданной величины в техническом устройстве немедленно включает регу-ляторные механизмы, возвращающие ее параметры к «заданному значению». В технике подобная постановка вопроса о «заданном значении» вполне уместна. Эту «установочную точку» задает конструктор. В организме же имеет место не «заданное значение» или «установочная точка», а определенное значение его показателей, в том числе и постоянная температура тела человека и высших животных. Определенный уровень показателей организма обеспечивает относительно независимый (свободный) образ жизни. Этот уровень сформировался в процессе эволюции; сформировались и механизмы их регуляции. Поэтому понятия «установочная точка» или «заданное значение» следует признать некорректными в физиологии. Имеется общепринятое понятие — гомеоста-зис, т.е. постоянство внутренней среды организма, которое подразумевает постоянство различных показателей организма. Поддержание этого динамического постоянства (все показатели колеблются: одни больше, другие — меньше) и обеспечивается всеми регуляторными механизмами.
2. Регуляция по опережению заключается в том, что регулирующие механизмы включаются до реального изменения параметра регулируемого процесса (показателя) на основе информации, поступающей в нервный центр функциональной системы и сигнализирующей о возможном изменении регулируемого процесса (показателя) в будущем. Например, терморецепторы (детекторы температуры), находящиеся внутри тела, обеспечивают контроль за температурой внутренних областей тела. Терморецепторы кожи в основном играют роль детекторов температуры окружающей среды (возмущающий фактор). При значительных отклонениях температуры окружающей среды создаются предпосылки возможного изменения температуры внутренней среды организма. Однако в норме этого не происходит, так как импульсация от терморецепторов кожи, непрерывно поступая в ги-поталамический терморегуляторный центр, позволяет ему произвести изменения работы эффекторов системы до момента реального изменения температуры внутренней среды организма. Усиление вентиляции легких при физической нагрузке начинается раньше увеличения потребления кислорода и накопления угольной кислоты в крови человека. Это осуществляется благодаря афферентной им-пульсации от проприорецепторов активно работающих мышц к моторным центрам и взаимодействию их с дыхательным центром.
43
Следовательно, импульсация от проприоре-цепторов выступает как фактор, организующий перестройку работы функциональной системы, поддерживающей оптимальный для метаболизма уровень рН внутренней среды и содержание О2 и СО2 с опережением.
Регуляция по опережению может реализоваться с помощью механизма условного рефлекса. Показано, что у кондукторов товарных поездов в зимнее время резко нарастает производство тепла по мере удаления от станции отправления, где кондуктор находился в теплой комнате. На обратном пути, по мере при-
ближения к станции, производство тепла в организме отчетливо снижается, хотя в обоих случаях кондуктор подвергается одинаково интенсивному охлаждению, а все физические условия отдачи тепла не меняются (А.Д.Сло-ним).
Благодаря динамической организации ре-гуляторных механизмов функциональные системы обеспечивают исключительную устойчивость метаболических реакций организма как в состоянии покоя, так и в состоянии его повышенной активности в среде обитания.
ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ ВОЗБУДИМЫХ ТКАНЕЙ
4.1. ОТКРЫТИЕ «ЖИВОТНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА* И ЕГО СУЩНОСТЬ
А. Наблюдение биоэлектрических явлений.
В конце XVITI в. (1786 г.) профессор анатомии Болонского университета Луиджи Галь-вани провел ряд опытов, положивших начало целенаправленным исследованиям биоэлектрических явлений. В первом опыте, подвешивая препарат обнаженных задних лапок лягушек с помощью медного крючка на железной решетке, Л.Гальвани обнаружил, что всякий раз при касании мышцами решетки они отчетливо сокращались. Л.Гальвани высказал предположение о том, что сокращение мышц является следствием воздействия на них электричества, источником которого выступают «животные ткани» — мышцы и нервы. Однако другой итальянский исследователь — физик и физиолог Вольта оспорил это заключение. По его мнению, причиной сокращения мышц был электрический ток, возникающий в области контакта двух разнородных металлов (медь и железо — гальваническая пара) с тканями лягушки. С целью проверки своей гипотезы Л.Гальвани поставил второй опыт, в котором нерв нервно-мышечного препарата набрасывался на мышцу стеклянным крючком так, чтобы он касался поврежденного и неповрежденного ее участков. В этом случае мышца также сокращалась. Второй опыт Л.Гальвани считается опытом, в котором были получены абсолютные доказательства существования «животного электричества».
Б. Регистрация биоэлектрических явлений впервые осуществлена с помощью гальванометра, одна из клемм которого присоединялась к поврежденному участку мышцы, другая — к неповрежденному [Маттеучи, 1838], при этом стрелка гальванометра отклонялась. Размыкание цепи гальванометра сопровождалось возвращением стрелки гальванометра в прежнее (нулевое) положение. В настоящее время существует много различных вариантов регистрации биоэлектрических явлений, но их можно объединить в
две основные группы: по местоположению электродов (внутриклеточное и внеклеточное отведения) и по числу отводящих электродов (монополярное, биполярное, мульти-полярное отведения). Электроды могут быть металлическими и стеклянными. В случае монополярного отведения один электрод активный, второй — индифферентный, его площадь в десятки раз больше активного электрода. При внутриклеточном отведении применяется стеклянный микроэлектрод,который представляет собой микропипетку с диаметром кончика 0,5—1 мкм (рис. 4.1, 2). Микроэлектрод заполняется 3 М КС1. В широкую часть микроэлектрода вставляется серебряная проволочка, соединяемая с регистрирующим устройством. Индифферентным внеклеточным электродом является хлорированная серебряная пластинка. При внутриклеточном отведении клетка способна функционировать в течение нескольких часов. Микроэлектродный способ регистрации биопотенциалов обеспечил изучение механизмов создания электрических зарядов клеткой, возникновения возбуждения в живых клетках. Однако еще задолго до появления микроэлектродной техники (конец XIX в.) стало ясно, что «животное электричество» обусловлено процессами, происходящими на клеточной мембране (Герман, Дюбуа-Реймон, Бернштейн). В настоящее время достаточно хорошо изучены механизмы формирования мембранного потенциала покоя (ПП) и потенциала действия (ПД), т.е. процесса возбуждения клетки.
В. Сущность процесса возбуждения заключается в следующем. Все клетки организма имеют электрический заряд, обеспечиваемый неодинаковой концентрацией анионов и катионов внутри и вне клетки. Различная концентрация анионов и катионов внутри и вне клетки является следствием работы ионных насосов и неодинаковой проницаемости клеточной мембраны для разных ионов. Однако свойства мембран возбудимых клеток существенно отличаются от таковых невозбудимых клеток. При дей-
45
-80-
Рис. 4.1. Потенциал
покоя возбудимой клетки (А) и
схема его регистрации (Б).
! — клетка; 2 —
микроэлектрод; 3 — регистрирующее
устройство.
. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЕПОСРЕДСТВЕННАЯ ПРИЧИНА ФОРМИРОВАНИЯ ПП
гщгзл /гокоя -ть электрических потенциалов между -той и внутренней сторонами клеточ-;мбраны. Его величина обычно варьи-
пределах 30—90 мВ (в волокнах ске-! мышцы — 60—90 мВ, в нервных клет-
50—80 мВ, в гладких мышцах — 30— , в сердечной мышце — 80—90 мВ). егистрации ПП луч осциллографа во
прокола мембраны клетки микро-одом скачком отклоняется и показы-■рицательный заряд внутри.
играет исключительно важную роль в хеятельности самой клетки и организ-елом, поскольку является основой для :новения возбуждения (потенциала ия), с помощью которого нервная сис-оспринимает и перерабатывает инфор-', регулирует деятельность внутренних ■в и опорно-двигательного аппарата ,ством запуска процессов возбуждения
и сокращения в мышце. Нарушение процессов возбуждения в кардиомиоцитах ведет к остановке сердца.
Согласно мембранно-ионной теории [Бернштейн, Ходжкин, Хаксли, Катц, 1902— 1952], непосредственной причиной формирования ПП является неодинаковая концентрация анионов и катионов внутри и вне клетки (табл. 4.1).
Таблица 4.1. Внутри- и внеклеточные концентрации ионов (ммольл~!) в мышечных клетках го-мойотермных животных (А~ — высокомолекулярные внутриклеточные анионы)
ствии
раздражителя на клетку возбудимой
ткани
изменяется проницаемость ее мембраны
(обычно сначала для Na+
и быстро возвращается
к норме, затем для К+
и быстро возвращается
к норме), вследствие чего ионы
быстро перемещаются согласно
электрохимическому
градиенту (совокупность
концентрационного
и электрического гради-нтов)
—
это
и есть процесс возбуждения, о
основой является потенциал покоя
выбранный
потенциал).
концентрация |
концентрация |
|
||
Na+ |
12 |
Na+ |
145 |
|
К+ 155 |
К+ |
4 |
|
|
Са2+ |
10~8-10~~7 |
Са2+ |
2 |
|
С1 |
4 |
а- |
120-130 |
|
HCOJ ! 8 |
НСОз |
27 |
||
А" 1 155 |
Прочие катионы / 5 |
|
В нервных и мышечных клетках концентрация К+ внутри клетки в 30—40 раз больше, чем вне клетки; концентрация Na+ вне клетки в 10—12 раз больше, нежели в клетке. Ионов СГ вне клетки в 30—50 раз больше, чем внутри клетки. В клетке имеется небольшое количество ионов Mg2+. Кальцин в свободном состоянии находится в основном вне клетки. Он содержится также в эндоплазма-тическом ретикулуме; в гиалошазме ело очень мало. Это обусловливается отчасти активным транспортом Са2+ наружу через клеточную мембрану, отчасти поглощением его эндоплазматическим ретикулумом (это резервуар для Са2+) и другими органеллами, например митохондриями, связыванием Са2+ цитратом, глутаматом.
В клетке находятся также крупномолекулярные анионы; главным образом это отрицательно заряженные белковые молекулы, например глутамат, аспартат, а также органические фосфаты. Различные ионы распределены неравномерно по обе стороны клеточной мембраны, во-первых, вследствие неодинаковой проницаемости клеточной мембраны для различных ионов, во-вторых — в результате работы ионных насосов, транспортирующих ионы в клетку и из клетки вопреки концентрационному и электрическому градиентам.
4.2.2. РОЛЬ ПРОНИЦАЕМОСТИ КЛЕТОЧНОЙ МЕМБРАНЫ И ЕЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ ЗАРЯДОВ В ФОРМИРОВАНИИ ПП
А. Терминология. Проницаемость клеточной мембраны — это ее способность пропускать воду, незаряженные и заряженные частицы (ионы) согласно законам диффузии и фильтрации. Проницаемость клеточной мембраны определяется следующими факторами: 1) наличием в составе мембраны различных ионных каналов — управляемых (с воротным механизмом) и неуправляемых (каналов утечки); 2) разменами каналов и размерами частиц; 3) растворимостью частиц в мембране (клеточная мембрана проницаема для растворимых в ней липидов и непроницаема для пептидов).
Термин «проводимость» следует использовать только лишь применительно к заряженным частицам. Следовательно, проводимость — это способность заряженных частиц (ионов) проходить через клеточную мембрану согласно электрохимическому градиенту,
Как известно, ионы, подобно незаряженным частицам, переходят через мембрану из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией. При большом градиенте концентрации и хорошей проницаемости мембраны, разделяющей соответствующие растворы, проводимость ионов может быть высокой, при этом наблюдается односторонний ток ионов. Если разность концентраций ионов по обе стороны мембраны снизится, то проводимость ионов также уменьшится, хотя проницаемость сохранится прежней — высокой. Кроме того, проводимость иона при неизменной проницаемости мембраны зависит и от заряда иона: одноименные заряды отталкиваются, разноименные — притягиваются. Возможна ситуация, когда при хорошей проницаемости мембраны проводимость ионов через мембрану оказывается низкой или нулевой в случае отсутствия движущей силы — концентрационного и(или) электрического градиентов (их совокупность называют электрохимическим градиентом).
Таким образом, проводимость иона зависит от его электрохимического градиента и от проницаемости мембраны: чем они больше, тем лучше проводимость иона через мембрану. Перемещения ионов в клетку и из клетки, согласно концентрационному и электрическому градиентам в состоянии покоя клетки, осуществляются преимущественно через неуправляемые (без воротного механизма) каналы, их называют также каналами утечки. Неуправляемые каналы всегда открыты, они практически не меняют своей пропускной способности при электрическом воздействии
на клеточную мембрану и ее возбуждении. Неуправляемые каналы подразделяются на ионоселективные каналы (например, калиевые медленные неуправляемые каналы) и ио-нонеселективные каналы. Последние пропускают различные ионы — К+, Na+, СГ.
Б. Роль проницаемости клеточной мембраны и различных ионов в формировании ПП. Na+ u K+ в покоящейся клетке перемещаются через мембрану согласно законам диффузии, при этом К+ из клетки выходит в значительно большем количестве, чем входит Na+ в клетку, поскольку проницаемость клеточной мембраны для К+ примерно в 25 раз больше проницаемости для Na+.
Органические анионы из-за своих больших размеров не могут выходить из клетки, поэтому внутри клетки в состоянии покоя отрицательных ионов оказывается больше, чем положительных. По этой причине клетка изнутри имеет отрицательный заряд. Интересно, что во всех точках клетки отрицательный заряд практически одинаков. Об этом свидетельствует одинаковая величина ПП при введении микроэлектрода на разную глубину внутрь клетки, как это имело место в опытах Ходжкина, Хаксли и Катца. Гигантский аксон кальмара (его диаметр около 1 мм) в этом опыте находился в морской воде, один электрод вводился в аксон, другой помещали в морскую воду. Заряд внутри клетки является отрицательным как абсолютно (в гиало-плазме клетки содержится больше анионов, нежели катионов), так и относительно наружной поверхности клеточной мембраны. Однако превышение абсолютного числа анионов над числом катионов в клетке чрезвычайно мало. Но этого различия достаточно для создания разности электрических потенциалов внутри и вне клетки.
Главным ионом, обеспечивающим формирование ПП, является ион К+. Об этом свидетельствуют результаты опыта с перфузией внутреннего содержимого гигантского аксона кальмара солевыми растворами. При уменьшении концентрации К+ в перфузате ПП уменьшается, при увеличении концентрации К+ ПП увеличивается. В покоящейся клетке устанавливается динамическое равновесие между числом выходящих из клетки и входящих в клетку ионов К+. Электрический и концентрационный градиенты противодействуют друг другу: согласно концентрационному градиенту К+ стремится выйти из клетки, отрицательный заряд внутри клетки и положительный заряд наружной поверхности клеточной мембраны препятствуют этому. Когда концентрационный и электрический
47
зиенты уравновесятся, число выходящих клетки ионов К+ сравнивается с числом цящих ионов К+ в клетку. В этом случае клеточной мембране устанавливается так ываемый равновесный калиевый потен-л.
Равновесный потенциал для любого иона то рассчитать по формуле Нернста. Кон-трация положительно заряженного иона, одящегося снаружи, в формуле Нернста полагается в числителе, иона, находяще-\ внутри клетки, — в знаменателе. Для от-ательно заряженных ионов расположение тивоположное.
RT [>оп]о
Zf [ion\i
Eim — потенциал, создаваемый данным ом; R — газовая постоянная (8,31 Дм);
- абсолютная температура (273+37 °С);
- валентность иона; F — постоянная Фа- гя (9,65104); [ion], — концентрация иона три клетки inside; [ion]o — концентрация а во внешней среде клетки (outside).
Три температуре 37 °С равновесный по-циал для К+ с учетом соотношения кон-трации его снаружи и изнутри (1/39) и ва-тности 1 равен —97 мВ. Однако реальный миоцита теплокровного животного не-лько меньше — около —90 мВ. Это объяс-тся тем, что в создании потенциала ПП нимают участие и другие ионы, хотя их ь менее значительна в сравнении с ролью :а К+. Равновесный потенциал для Na+ 2н +55 мВ. В целом ПП — это производное човесных потенциалов всех ионов, находя-:ся внутри и вне клетки и поверхностных ядов клеточной мембраны. Вклад Na+ и СГ в создание ПИ. Проницаешь клеточной мембраны в покое для Na+ нь низкая — намного ниже, чем для К+, не менее она имеет место, поэтому ионы , согласно концентрационному и элект-ескому градиентам, стремятся и в неболь-Л количестве проходят внутрь клетки. Это ет к уменьшению ПП, так как на внешней ерхности клеточной мембраны суммарное ло положительно заряженных ионов ньшается, хотя и незначительно, а часть ицательных ионов внутри клетки нейтра-уется входящими в клетку положительно яженными ионами Na+. Вход Na+ внутрь тки уменьшает ПП. Что касается СГ, его яние на величину ПП противоположно янию Na+ и зависит от проницаемости точной мембраны для СГ (она в 2 раза ке, чем для К+). Дело в том, что СГ, со-:но концентрационному градиенту, стре-
мится и проходит в клетку. Концентрации ионов К+ и СГ близки между собой. Но СГ находится в основном вне клетки, а К+ — внутри клетки. Препятствует входу СГ в клетку электрический градиент, поскольку заряд внутри клетки отрицательный, как и заряд С\~. Наступает равновесие сил концентрационного градиента, способствующего входу СГ в клетку, и электрического градиента, препятствующего входу СГ в клетку. Поэтому внутриклеточная концентрация СГ равна всего лишь 5—10 ммоль/л, а вне клетки — 120—130 ммоль/л. При поступлении СГ внутрь клетки число отрицательных зарядов вне клетки несколько уменьшается, а внутри клетки увеличивается: СГ добавляется к крупным белковой природы анионам, находящимся внутри клетки. Эти анионы из-за своих больших размеров не могут пройти через каналы клеточной мембраны наружу клетки — в интерстиций. Таким образом, СГ, проникая внутрь клетки, увеличивает ПП. Частично, как и вне клетки, Na+ и СГ внутри клетки нейтрализуют друг друга. Вследствие этого совместное поступление Na+ и СГ внутрь клетки не сказывается существенно на величине ПП.
В. Роль поверхностных зарядов клеточной мембраны и ионов Са+ в формировании ПП. Наружная и внутренняя поверхности клеточной мембраны несут собственные электрические заряды, преимущественно с отрицательным знаком. Это полярные молекулы клеточной мембраны — гликолипиды, фос-фолипиды, гликопротеиды. Фиксированные наружные отрицательные заряды, нейтрализуя положительные заряды внешней поверхности мембраны, уменьшают ПП. Фиксированные внутренние отрицательные заряды клеточной мембраны, напротив, суммируясь с анионами внутри клетки, увеличивают ПП. Роль ионов Са в формировании ПП заключается в том, что они взаимодействуют с наружными отрицательными фиксированными зарядами мембраны клетки и отрицательными карбоксильными группами интерстиция и нейтрализуют их, что ведет к увеличению и стабилизации ПП.
Таким образом, ПП — это алгебраическая сумма не только всех зарядов ионов вне и внутри клетки, но также алгебраическая сумма отрицательных внешних и внутренних поверхностных зарядов самой мембраны. Роль проницаемости клеточной мембраны в происхождении ПП иллюстрируется на модельном опыте (рис. 4.2).
Сосуд разделен полупроницаемой мембраной. Обе его половины заполнены раствора-
Мембрана
Ct
\ C2
Рис. 4.2. Модельный опыт, иллюстрирующий роль избирательной проницаемости мембраны для отдельных ионов в формировании ПП.
1, 2 — электроды; 3 — регистратор. Маленькие кружки — ионы К+, большие — ионы SO*.
ми K2SO4 различной концентрации (С, и С2), причем С]< С2. Мембрана проницаема для К+ и непроницаема для SOJ*. Ионы К+ перемещаются, согласно концентрационному градиенту, из раствора С2 в раствор С,. Поскольку ионы SO4" не могут пройти в раствор Сь где их концентрация тоже ниже, мембрана поляризуется и между двумя ее поверхностями возникает разность электрических потенциалов, соответствующая равновесному калиевому потенциалу (Ек). В растворе С2 остается больше отрицательных зарядов, в растворе С, становится больше положительных зарядов.
При проведении измерений потенциал окружающей клетку среды принимают за величину, равную нулю. Относительно нулевого потенциала внешней среды потенциал внутренней среды клетки, как отмечалось выше, составляет величину порядка —60—90 мВ. Повреждение клетки приводит к повышению проницаемости клеточных мембран, в результате чего различие проницаемости для К+ и Na+ уменьшается; ПП при этом снижается. Подобные изменения встречаются при ише-
мии ткани, например миокарда. У сильно поврежденных клеток ПП может снизиться до уровня доннановского равновесия, что нарушает электрическую активность клеток органа в целом или его части. Однако и в норме происходит перемещение ионов согласно электрохимическому градиенту.
4.2.3. РОЛЬ ИОННЫХ НАСОСОВ В ФОРМИРОВАНИИ ПП
В результате непрерывного перемещения различных ионов через клеточную мембрану их концентрация внутри и вне клетки постепенно должна выравниваться. Однако, несмотря на постоянную диффузию ионов (утечку ионов), ПП клеток остается на одном уровне. Следовательно, кроме собственных ионных механизмов формирования ПП, связанных с различной проницаемостью клеточной мембраны, имеется активный механизм поддержания градиентов концентрации различных ионов внутри и вне клетки. Им являются ионные насосы, в частности Na/K-на-сос (помпа).
Ионный насос — транспортная система, обеспечивающая перенос иона с непосредственной затратой энергии вопреки концентрационному и электрическому градиентам. Если заблокировать освобождение энергии, например, динитрофенолом, в течение 1 ч выведение Na+ из клетки сократится примерно в 100 раз. Как выяснилось, выведение Na+ сопряжено с транспортом К+, что можно продемонстрировать при удалении К+ из наружного раствора. Если К+ на наружной стороне мембраны нет, работа насоса блокируется, перенос Na+ из клетки в этом случае падает, составляя примерно 30 % от нормального уровня. Сопряженность транспорта Na+ и К+ уменьшает расход энергии примерно в 2 раза по сравнению с той, которая потребовалась бы при несопряженном транспорте. В целом траты энергии на активный транспорт веществ огромны: лишь Na/K-насос потребляет Ц всей энергии, расходуемой организмом в покое. За 1 с один Na/K-насос (одна молекула белка) переносит 150—600 ионов Na+. Накопление Na+ в клетке стимулирует работу Na/K-насоса, уменьшение Na+ в клетке снижает его активность, поскольку снижается вероятность контакта ионов с соответствующим переносчиком. В результате сопряженного транспорта Na+ и К+ поддерживается постоянная разность концентраций этих ионов внутри и вне клетки. Одна молекула АТФ обеспечивает один цикл работы Na/K-насоса — перенос трех ионов Na+ за пределы
клетки и двух ионов К+ внутрь клетки. Асимметричный перенос ионов Na/K-насосом поддерживает избыток положительно заряженных частиц на наружной поверхности клеточной мембраны и отрицательных зарядов внутри клетки, что позволяет считать Na/K-насос структурой электрогенной, дополнительно увеличивающей ПП примерно на 5—10 мВ (в среднем около 10 % у разных возбудимых клеток — у одних больше, у других меньше). Данный факт свидетельствует о том, что решающим фактором в формировании ПП является селективная проницаемость клеточной мембраны для разных ионов. Если уравнять проницаемость клеточной мембраны для всех ионов, то ПП будет составлять только 5—10 мВ — за счет работы N/K-помпы.
Нормальная величина ПП является необходимым условием, возникновения процесса возбуждения клетки, т.е. возникновения и распространения потенциала действия, инициирующего специфическую деятельность клетки.