- •Глава 1
- •1.1. Для чего нужна физиология животных
- •1.2. Физиология и медицина
- •1.3. Физиология и познание
- •1.4. Основные концепции физиологии
- •1.4.1. В основе любой функции лежит структура
- •1.4.2. Генетика и физиология
- •1.4.3. Принцип гомеостаза
- •1.5. Физиологическая литература
- •1.6. Резюме
- •1.7. Вопросы для повторения
- •Глава 2 Физические и химические концепции
- •2.1. Атомы, связи и молекулы
- •2.2. Свойства н, о, n и с как основа для возникновения жизни
- •2.3. Вода.
- •2.3.1. Молекула воды
- •2.3.2. Свойства воды
- •2.3.3. Вода как растворитель
- •2.4. Растворы и их коллигативные свойства
- •2.5. Растворы электролитов
- •2.5.1. Ионизация воды
- •2.5.2. Кислоты и основания
- •2.5.3. Биологическая роль рН
- •2.5.4. Уравнение Гендерсона–Хассельбаха
- •2.5.5. Буферные системы
- •2.6. Электрический ток в водных растворах
- •2.7. Ионная избирательность
- •2.8. Биологические молекулы
- •2.8.1. Липиды
- •2.8.2. Углеводы
- •2.8.3. Белки
- •2.8.4. Нуклеиновые кислоты
- •2.9. Резюме
- •2.10. Вопросы для повторения
- •4. Почему кислород играет столь важную роль в биологии?
- •Глава 3
- •3.1. Энергия: понятия и определения
- •3.2. Перенос химической энергии в системе сопряженных реакций
- •3.3. Атр и высокоэнергетическая фосфатная группа
- •3.4. Температура и скорость реакции
- •3.5. Ферменты
- •3.5.1. Специфичность фермента
- •3.5.2. Каталитическая активность
- •3.5.3. Температура и скорость реакции
- •3.5.4. Чувствительность к рН
- •3.5.5. Регуляция ферментативной активности
- •3.5.6. Кофакторы
- •3.5.7. Кинетика ферментативных реакций
- •3.5.8. Сродство между ферментом и субстратом
- •3.5.9. Подавление активности ферментов
- •3.6. Механизмы регуляции метаболизма
- •3.6.1. Генетическая регуляция синтеза ферментов
- •3.6.2. Метаболическое ингибирование по типу обратной связи
- •3.6.3. Активация ферментов
- •3.7. Образование атр в процессе метаболизма
- •3.8. Окисление, фосфорилирование и перенос энергии
- •3.8.1. Электронпереносящие коферменты
- •3.9. Цепь переноса электронов
- •3.10. Гликолиз
- •3.11. Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)
- •3.12. Эффективность энергетического метаболизма
- •3.13. Кислородная задолженность
- •3.14. Резюме
- •3.15. Вопросы для повторения
- •Глава 4
- •4.1. Состав мембран
- •4.2. Организация мембран
- •4.2.1. Простые модели бислоев
- •4.2.2. Жидкостно–мозаичная модель
- •4.2.3. Субъединичная модель
- •4.3. Физические основы проницаемости мембран
- •4.3.1. Диффузия
- •4.3.2. Трансмембранный поток
- •4.3.3. Осмос
- •4.3.4. Осмолярность и тоничность
- •4.3.5. Влияние электрических сил на распределение ионов
- •4.3.6. Доннановское равновесие
- •4.4. Осмотические свойства клеток
- •4.4.1. Стационарное состояние
- •4.4.2. Объем клеток
- •4.5. Механизмы пассивного транспорта
- •4.5.1. Простая диффузия через липидный бислой
- •4.5.2. Диффузия через мембранные каналы
- •4.5.3. Облегченная диффузия
- •4.6. Активный транспорт
- •4.7. Ионные градиенты как источники энергии в клетке
- •4.7.1. Симпорт (котранспорт)
- •4.7.2. Антипорт (контртранспорт)
- •4.8. Селективность мембран
- •4.8.1. Селективность к электролитам
- •4.8.2. Селективность к неэлектролитам
- •4.9. Эндоцитоз и экзоцитоз
- •4.10. Межклеточные контакты
- •4.10.1. Щелевые контакты
- •4.10.2. Плотные контакты
- •4.11. Эпителиальный транспорт
- •4.11.2. Транспорт воды
- •4.12. Резюме
- •4.13. Вопросы для повторения
- •Глава 5 Ионы и возбуждение
- •5.1. Мембранная теория возбуждения
- •5.2. Пассивные электрические свойства клеточных мембран
- •5.2.1. Проводимость мембраны
- •5.2.2. Емкость мембраны
- •5.2.3. Электротонический потенциал
- •5.3. Электрохимический потенциал
- •5.3.1. Уравнение Нернста
- •5.4. Потенциал покоя
- •5.4.1. Роль ионных градиентов и ионных каналов
- •5.4.2. Роль активного транспорта
- •5.5. Активные электрические процессы
- •5.6. Ионные основы потенциала действия
- •5.6.1. Общие свойства потенциала действия
- •5.6.2. Натриевая гипотеза
- •5.6.3. Натриевые каналы
- •5.6.4. Цикл Ходжкина
- •5.6.5. Калиевый ток
- •5.6.6. Ионные механизмы потенциала действия: краткая сводка
- •5.6.7. Изменение концентрации ионов во время возбуждения
- •5.7. Другие электровозбудимые каналы
- •5.8. Пейсмекерные потенциалы
- •5.9. Резюме
- •5.10. Вопросы для повторения
- •Глава 6 Распространение и передача нервных импульсов
- •6.1. Нервные клетки
- •6.1.1. Два основных типа электрических сигналов в нервных клетках
- •6.2. Пассивное распространение электрических сигналов
- •6.3. Распространение нервных импульсов
- •6.3.1. Скорость распространения нервных импульсов
- •6.3.2. Сальтаторное проведение
- •6.4. Представление о синапсах
- •6.5. Передача возбуждения в электрических синапсах
- •6.6. Передача сигналов в химических синапсах
- •6.6.1. Строение химических синапсов
- •6.6.2. Синаптические потенциалы
- •6.6.3. Синаптические токи
- •6.6.4. Потенциал реверсии
- •6.6.5. Постсинаптическое торможение
- •6.6.6. Пресинаптическое торможение
- •6.7. Постсинаптические рецепторы и каналы
- •6.8. Выделение медиаторов пресинаптическими окончаниями
- •6.8.1. Квантовое выделение медиаторов
- •6.8.2. Электросекреторное сопряжение
- •6.9. Синаптическая интеграция
- •6.9.1. Суммация
- •6.10. Функциональная пластичность синапсов
- •6.10.1. Гомосинаптическая модуляция
- •6.10.1.1. Облегчение
- •6.10.1.2. Посттетаническая потенциация
- •6.10.2. Гетеросинаптическая модуляция
- •6.11. Медиаторы
- •6.11.1. Биогенные амины
- •6.11.2. Аминокислоты
- •6.11.3. Нейропептиды
- •6.11.4. Эндогенные опиоиды
- •Подставив в это равенство выражения (1) и (2), получим
- •6.12. Резюме
- •6.13. Вопросы для повторения
5.6.3. Натриевые каналы
Целый ряд данных свидетельствует о том, что при возбуждении мембраны ионы натрия проходят через специальные каналы, избирательно проницаемые для этих ионов (табл. 5–1), причем число каналов ограничено. Натриевые каналы активируются (т.е. открываются и пропускают ионы) в ответ на деполяризацию, при этом они проявляют высоко избирательную проницаемость для Li+ и Na+ по сравнению с другими ионами (рис. 5–25). Такое свойство обусловлено особой структурой каналов, благодаря которой они играют рольизбирательных (селективных) фильтров. Поскольку в норме ионы лития в организме практически отсутствуют, весь ток, проходящий через эти каналы, переносится ионами Na+; ионы же Са2 + и К + через них почти не проходят.
Li+ |
Na+ |
NH4+ |
Ca2+ |
K+ |
Rb+ |
Cs+ |
1,1 |
1,0 |
0,27 |
0,1 |
0,083 |
0,025 |
0,016 |
|
Рис. 5.25. Относительная проницаемость натриевого канала аксона кальмара для ионов Na+ и других ионов, способных проходить через этот канал; коэффициент проницаемости для Na + принят за 1. (Нillе, 1985.)
|
Процессы, приводящие к открыванию или закрыванию каналов (например, натриевого канала при деполяризации мембраны), называются воротными. Детальный механизм этих процессов пока неизвестен. По–видимому, в покое натриевый канал механически перекрыт некой заряженной структурой (рис. 5–26,А). При деполяризации мембраны конформация этой структуры изменяется и канал открывается (рис. 5–26,Б). Главный аргумент в пользу того, что в мембране действительно происходят подобные механические конформационные перестройки,– это обнаружение так называемых воротных токов, возникающих при открывании и закрывании натриевых каналов. Эти очень слабые токи можно зарегистрировать, если активировать натриевые каналы, предварительно заблокировав их с помощью фармакологических препаратов с тем, чтобы через них не мог протекать гораздо более мощный ионный ток. Полагают, что воротные токи, связаны с перемещением заряженных группировок, приводящим к открыванию активационных ворот (m–ворот) при активации каналов. В некоторых клетках обнаружены аналогичные воротные токи калиевых и кальциевых каналов.
|
Рис. 5.26. Основные состояния натриевых каналов. А. В покое (мембрана не деполяризована) канал не пропускает ионы Na +, поскольку закрыты т–ворота. Б. При деполяризации т–ворота открываются, и канал активируется (т.е. начинает пропускать ионы Na + ). Из–за этого т–ворота называют также активационными. В открытом состоянии проводимость канала в значительной степени определяется его селективным фильтром, который не пропускает анионы и гораздо более охотно пропускает Na+, чем К+ или Са2+. В. При более длительной деполяризации закрываются h–вopoma (инактивационные ворота), расположенные у внутренней стороны мембраны, и канал инактивируется. Реполяризация до уровня потенциала покоя вновь приводит к открыванию h–вopom и закрыванию т–ворот; в этом состоянии канал вновь можно активировать деполяризующим стимулом.
|
Здесь может возникнуть вопрос: каким же образом деполяризация мембраны приводит к открыванию электроуправляемых каналов (например, натриевых)? Представим себе типичную возбудимую клетку в состоянии покоя. Ее мембранный потенциал составляет –75 мВ. Деполяризация на 50 мВ (т. е. до – 25 мВ) обычно приводит к активации большей части натриевых каналов, расположенных в мембране. Эти каналы представляют собой молекулы белка, вкрапленные в мембранный липидный бислой толщиной порядка 5 нм. Значит, при деполяризации на 50 мВ в этом бислое (а следовательно, и в расположенных в нем воротных белках) возникает изменение напряжения 10–3 В на 10–8 см, т.е. 100 000 В/см. Неудивительно, что заряженные группировки белков–каналов «чувствуют» такие изменения и отвечают на них конформационными перестройками каких–то участков белковых молекул. Считают, что эти конформационные перестройки и лежат в основе воротных процессов, управляющих электровозбудимыми каналами.
При длительной деполяризации натриевые каналы инактивируются. Инактивация развивается в мембране автоматически, и степень ее зависит от мембранного потенциала и времени. Постоянная времени инактивации (То есть, в течение которого проводимость снижается в ераз.– Прим. перев.) составляет менее 2 мс (рис. 5–24,Б). Инактивацию можно подавить, введя в цитоплазму протеолитические ферменты. Это позволяет думать, что в инактивации принимает участие некая белковая структура, расположенная у внутреннего входа натриевого канала – инактивационных ворот (h–ворот). h–Ворота закрываются через несколько миллисекунд после открывания m–ворот. По–видимому, закрывание h–ворот как–то зависит от пребывания m–ворот в открытом состоянии.
Тетродотоксин (ТТХ) – вещество, выделенное из внутренних органов иглобрюха (рыбы, обитающей у берегов Японии), способен внедряться в натриевые каналы и блокировать их (рис. 5–27). Опыты, проведенные на различных видах нервов, показали, что натриевые каналы на участке мембраны аксона площадью 1 мкм2 связывают менее 100 молекул ТТХ. При этом полностью подавляется увеличение натриевой проводимости, возникающее в норме при деполяризации (табл. 5–1). Кинетические особенности блокирования каналов свидетельствуют о том, что каждая молекула ТТХ связывается с одним натриевым каналом. Значит, число каналов на 1 мкм2 мембраны составляет менее 100. Если бы все эти каналы открывались одновременно, то площадь их сечения должна была бы составлять менее 1/50 000 от поверхности мембраны, если считать, что диаметр канала составляет порядка 0,5 нм (рис. 5–27,Б). То, что на долю канала приходится столь малая часть поверхности мембраны, вполне согласуется с моделями клеточных оболочек Даниелли и Сингера (разд. 4.2.1). Согласно этим моделям, низкая проницаемость мембраны для полярных молекул обусловлена тем, что большую ее часть занимает сплошной липидный бислой. Чрезвычайно малая площадь канала объясняет также и то, почему при тех значительных изменениях проводимости, которые наблюдаются при возбуждении мембран, не происходит каких–либо существенных изменений емкости мембраны.
|
Рис. 5.27. Структурная формула яда иглобрюха–тетродотоксина (ТТХ)–и его действие. А. Структурная формула ТТХ. Закрашенный квадратик – гуанидиновая группировка, которая может входить в устье натриевом канала и блокировать его. Б. Предполагаемая пространственная структура ТТХ и его расположение в натриевом канале. (Нillе, 1975.) В. Влияние ТТХ на ранний входящий ток. Кривые записаны с интервалами 15 с после воздействия на аксон кальмара ТТХ в концентрации 1,5–10 –7 М. Видно, что ранний ток уменьшается, а поздний остается без изменений. (Moor, Narahashi, 1967.)
|
В 1980 г. Фредерик Сигворс и Эрвин Неер с помощью так называемого метода локальной фиксации (patch–clamp) (рис. 5–28,А) смогли зарегистрировать ток через одиночный натриевый канал, активированный с помощью деполяризации. Для этого они использовали микропипетку диаметром 0,5 мкм, в кончик которой втягивали участок мембраны для создания тесного контакта между пипеткой и мембраной. Оказалось, что токи через одиночные каналы подчиняются закону «все или ничего», имеют прямоугольную форму (это свидетельствует об очень быстром открывании и закрывании каналов) и одинаковы по величине для разных каналов (рис. 5–28,Б). При этом длительность пребывания каналов в открытом состоянии варьирует случайным образом и довольно широко. Среднее время нахождения канала в открытом состоянии составляет менее 1 мс и зависит от мембранного потенциала: при смещении деполяризующего потенциала в положительную сторону это время уменьшается. В то же время проводимость одиночных натриевых каналов слабо зависит от напряжения и равна примерно 10 пСм (т. е. 10·10–12 См, что соответствует сопротивлению 1011 Ом). Используя закон Ома, постоянную Фарадея и число Авогадро, находим, что при Vм –ENa = –100 мВ (примерно такова электродвижущая сила для Na + в начале развития ПД) активированные натриевые каналы пропускают примерно 6000 ионов натрия за 1 мс. Тот значительный натриевый ток, который отвечает за фазу подъема ПД, равен сумме тысяч чрезвычайно слабых импульсных одиночных токов, обусловленных срабатыванием (т. е. открыванием и закрыванием) натриевых каналов. Число каналов, открытых в каждый момент времени, зависит от мембранного потенциала, а также от времени, поскольку от времени зависят процессы, приводящие к активации и инактивации каналов. Таким образом, суммарные, зависящие от потенциала и времени изменения натриевой проводимости мембраны (рис. 5–29) порождаются воротными процессами в тысячах натриевых каналов, каждый из которых в ответ на деполяризацию открывается и закрывается в соответствии с определенными вероятностными закономерностями.
|
Рис. 5.28. Запись активности одиночного канала с помощью метода локальной фиксации. А. Оплавленную стеклянную микропипетку с диаметром кончика около 2 мкм, заполненную солевым раствором, слегка прижимают к очищенной поверхности мембраны, и участок мембраны под кончиком всасывают в пипетку. При этом между пипеткой и мембраной создается очень плотный контакт, препятствующий утечке тока «мимо» микропипетки. Ток, протекающий через открытый канал, подается на вход усилителя, с помощью которого напряжение фиксируется на участке мембраны примерно таким же способом, как в классической методике фиксации потенциала, описанной в дополнении 5–3. Б. Деполяризация (верхняя кривая) участка мембраны мышечной клетки крысы приводит к кратковременному открыванию натриевого канала. Срабатывания каналов проявляются в виде «всплесков» тока различной длительности с разным латентным периодом (нижние кривые). В. Суммарный ток, полученный в результате сложения 144 кривых, записанных от одного участка мембраны. Динамика этого тока отражает распределение во времени отдельных срабатываний одиночного канала в ответ на деполяризующий стимул. Видно, что эта динамика сходна с временным ходом макроскопического натриевого тока (рис. 5–24,В), отражающего открывание многих каналов в ответ на одиночный деполяризующий стимул. (Кривые Б и Ввоспроизведены из работы Patlack, Horn, 1982.)
|
|
Рис. 5.29. А. Временное изменение натриевой проводимости при подаче деполяризующих импульсов разной величины (высота импульсов в милливольтах указана над кривыми). (Hodgkin, 1958.) Б. Зависимость максимальной величины gNa от степени деполяризации. Ноль соответствует исходному фиксированному потенциалу (около — 70 мВ). Эта экспериментальная кривая сходна с расчетной кривой В в дополнении 5–4. (Hodgkin, Huxley, 1952b.)
|