- •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
5.8. Пейсмекерные потенциалы
Взаимодействия между различными системами, обусловливающими ионные токи, могут приводить к колебаниям мембранного потенциала. Если эти колебания регулярны, медленны и вызывают появление ПД, то их называют пейсмекерными потенциалами. Какой–либо единой последовательности событий, приводящих к появлению всех разновидностей пейсмекерных потенциалов, не существует, однако показано, что в их возникновении играют определенную роль медленно активирующиеся и инактивирующиеся входящие кальциевые и(или) натриевые токи, а также Са2 +–зависимые калиевые токи. Лучше всего изучены пейсмекерные потенциалы, возникающие в миоцитах сердца позвоночных (разд. 10.9) и в некоторых нейронах моллюсков. Показано, что в обоих случаях пейсмекерная активность является самопроизвольной и не зависит от каких–либо внешних сигналов или воздействий.
У улиток и других брюхоногих моллюсков имеются особые «пачечно–пейсмекерные» нейроны, которые через каждые несколько секунд разряжаются сериями («пачками») импульсов. Каждая такая серия возникает на гребне спонтанного пейсмекерного потенциала. Этот потенциал обусловлен последовательностью ионных механизмов, приведенной на рис. 5–37. Во время деполяризации активируются кальциевые каналы, ионы Са2+ проникают через них в клетку и накапливаются в ней. По мере накопления эти ионы активируют кальцийзависимые калиевые каналы и инактивируют кальциевые каналы (см. выше). И то и другое способствует реполяризации мембраны, т. е. приближению мембранного потенциала к Ек. В свою очередь под влиянием реполяризации кальциевые каналы закрываются, вход ионов Са2+ прекращается, а накопившиеся в клетке свободные ионы кальция постепенно удаляются из цитозоля с помощью «кальциевых буферов». По мере удаления этих ионов снижается проницаемость для калия, обусловленная кальцийзависимыми каналами, а инактивация кальциевых каналов, развившаяся под действием высокой концентрации Са2 + , напротив, постепенно уменьшается. Оба этих механизма способствуют деполяризации мембраны, под действием которой в свою очередь постепенно активируются потенциалзависимые натриевые и кальциевые каналы. По этим каналам в клетку проникают ионы Са2+ и Na+, мембрана деполяризуется еще больше до тех пор, пока не возникнет пейсмекерный потенциал. Этот медленный деполяризующий потенциал запускает последовательность быстрых ПД, во время которых в нейрон входит дополнительное количество Na+ и Са2 + . По мере накопления ионов Са2+ вновь подавляется кальциевый ток, начинает течь кальцийзависимый калиевый ток, и вся последовательность событий повторяется снова. На накопление свободных ионов кальция у внутренней поверхности клеточной мембраны и удаление этих ионов требуется определенное время, и именно этим определяются те периодические процессы, которые лежат в основе колебаний деполяризации и реполяризации.
Дополнение 5–1. Разделение зарядов по разные стороны мембраны
Для того чтобы мембранный потенциал стал равным Ек, через каждый квадратный сантиметр мембраны (см. рис. 5–11) должно продиффундировать лишь очень небольшое число ионов. Для системы, в которой через мембрану проходит только один какой–либо ион, найти это число не составляет труда. Избыточное количество ионов калия, накапливающихся в отсеке II (а также соответственно избыточное количество ионов хлора, остающихся в отсеке I), зависит от: 1) равновесного калиевого потенциала; 2) емкости мембраны. Электрический заряд Q (в кулонах), накапливающийся на обкладках конденсатора, пропорционален емкости конденсатора С (в фарадах) и напряжению на его обкладках V (в вольтах). Емкость биологических мембран обычно составляет порядка 1 мкФ (10–6 Ф) на 1 см2. Отсюда можно найти общий заряд ионов, диффундирующих через каждый квадратный сантиметр мембраны в том случае, если эта мембрана разделяет два раствора диффундирующего одновалентного катиона, причем концентрация одного раствора в 10 раз больше, чем другого (при этом равновесная разность потенциалов составляет 58 мВ):
Q = CV = 10–6 Ф/см2 · 5,8·10–2 В = 5,8 ·10–8 Кл/см2.
Один грамм–эквивалент (или 1 моль) моновалентного иона несет электрический заряд F = 96 500 Кл. Значит, количество К+ (в молях), необходимое для переноса через 1 см2 мембраны заряда в 5,8 х 10 –8 Кл, можно рассчитать, разделив этот заряд на F:
5,8 ·10–8 Кл/см2 / 9,65·104 Кл / моль К+ = 6·10–13моль К+ /см2
Для того чтобы определить, какое количество ионов калия накапливается в отсеке II (см. рис. 5–11), надо умножить полученную величину на число Авогадро (6·1023 молекула · моль–1):
(6·10–13)(6·1023) = 3,6– 1011 К+/см2.
Такое же количество ионов хлора останется в избытке в отсеке I. Это более чем в 10 миллионов раз меньше, чем число ионов калия в 1см3 раствора II (6·1018 иона). Значит, разделение зарядов по разные стороны мембраны практически не влияет на концентрацию растворов I иII. Поэтому, даже несмотря на то что мембрана в какой–то степени отделяет катионы от анионов, такое разделение существует лишь на микроскопическом уровне, соизмеримом с толщиной клеточных оболочек (см. рис. 5–6). В макроскопических же масштабах правило электронейтральности, согласно которому число положительных и отрицательных зарядов должно быть равно, фактически не нарушается.
Дополнение 5–2. Вывод уравнения Нернста
Уравнение Нернста – это одно из наиболее часто используемых в физиологии математических соотношений. Оно имеет важнейшее значение для понимания биоэлектрических явлений. Вывод этого уравнения основан на том, что работа по преодолению осмотических сил, затрачиваемая на перенос через мембрану в каком–либо направлении определенного количества ионов, равна работе по преодолению электрических сил, затрачиваемой на транспорт эквивалентного количества зарядов через мембрану в обратном направлении. Работу по преодолению осмотических сил, необходимую для переноса 1 моль–эквивалента иона X из раствора с концентрацией [X]I в раствор с большей в 10 раз концентрацией, [Х]II, можно найти из уравнения состояния идеального газа:
W= RTln [X]I / [Х]II (1)
где W – механическая (или осмотическая) работа, равная произведению силы на расстояние.
Иными словами, если мембрана разделяет два раствора одинаковой концентрации, содержащие вместе 1 моль иона X, то для того, чтобы в результате переноса этого иона через мембрану концентрации растворов по разные стороны мембраны стали различаться в е раз, требуется совершить работу W, определяемую уравнением (1). Если же мембрана проницаема для этого иона, то он будет диффундировать обратно в раствор с более низкой концентрацией до тех пор, пока не создастся равновесный потенциал, в точности компенсирующий это стремление иона X к обратной диффузии. Зная это, мы можем приравнять работу, необходимую для преодоления осмотических сил, работе, затрачиваемой на противодействие электрическим силам:
W=EFZ, (2)
где Е– разность потенциалов, F– постоянная Фарадея (равная заряду одного моля одновалентного иона), Z – валентность иона. Подставляя уравнение (2) в уравнение (1), получаем
EFZ = RTln [X]I / [Х]II,
или
E = RT / FZ ln [X]I / [Х]II.
Это и есть уравнение Нернста в общем виде.
Дополнение 5–3. Метод фиксации потенциала
Для изучения потенциалзависимых мембранных каналов оказался очень полезным метод фиксации потенциала. Он заключается в том, что разность потенциалов по разные стороны мембраны фиксируют на определенном уровне с помощью электронной системы с обратной связью. При этом мембранный потенциал можно ступенчато изменять на строго определенную величину. Такой метод позволяет измерять ионные токи, протекающие сквозь мембрану через каналы, которые активируются при изменении потенциала. В соответствии с законом Ома (дополнение 2–1), если напряжение на мембране постоянно, изменения тока однозначно связаны с изменениями проводимости. В свою очередь изменения мембранной проводимости связаны с открыванием и закрыванием ионных каналов. Таким образом, мы можем фиксировать мембранный потенциал на разном уровне и измерять возникающие при этом токи. Если же вдобавок использовать растворы с различным ионным составом и препараты, избирательно блокирующие тот или иной канал, то можно будет изучать поведение различных ионных каналов, через которые протекают измеряемые нами токи.
Технически фиксация потенциала осуществляется следующим образом. При помощи усилителя–регулятора внутриклеточный потенциал сравнивают с управляющим потенциалом (см. рисунок). Любое отклонение мембранного потенциала от управляющего усиливается, и на выходе усилителя возникает управляющий ток. Этот ток течет через электроды, расположенные по разные стороны мембраны, в таком направлении, что мембранный потенциал вновь становится равным управляющему. Такое автоматическое согласование происходит за долю миллисекунды после того, как задается ступенчатый управляющий потенциал. Когда в ответ на такую ступенчатую деполяризацию открываются натриевые (или какие–либо другие) каналы, соответствующие ионы входят в аксон по электрохимическому градиенту и переносят с собой электрические заряды. Эти входящие заряды стремятся сдвинуть мембранный потенциал в положительном направлении, однако малейшее отклонение от управляющего потенциала немедленно компенсируется в результате удаления из клетки избыточных зарядов с помощью усилителя–регулятора. При этом записывается тот ток, который подается усилителем для поддержания мембранного потенциала на необходимом уровне, и этот ток, разумеется, в точности равен ионному току, протекающему через мембрану.
|
Схема фиксации напряжения в опытах на аксоне кальмара. С помощью усилителя–регулятора сравнивается мембранный потенциал VM с управляющим потенциалом. Если на выходе усилителя появляется ненулевая разность потенциалов, к клетке подводится ток, под действием которого VM вновь становится равным управляющему потенциалу. Этот ток IМ зависит от изменений ионной проницаемости мембраны.
|
Дополнение 5–4. Вольт– амперные характеристики
Если построить график зависимости натриевого тока (на рис. А это INa) от напряжения стимула, то мы получим так называемую вольт – амперную характеристику (рис. Б), типичную для регенеративных токов электровозбудимых мембран. Чтобы построить такую характеристику, на мембрану подают ступеньки напряжения, в результате чего потенциал каждый раз скачкообразно изменяется от исходного значения (Vn) до нового уровня (Vм). При этом измеряют амплитуду тока, возникающего при каждом таком сдвиге потенциала, а затем строят график зависимости этой амплитуды от VM.
|
При отрицательных сдвигах потенциала и небольших положительных сдвигах вольт–амперная характеристика представляет собой прямую, совпадающую с осью ординат (рис. Б): при этих значениях потенциала натриевые каналы не активируются. При более положительных значениях потенциала на вольт– амперной характеристике появляется нисходящая (отрицательная) ветвь: это означает, что сдвиг потенциала в положительную сторону приводит к увеличению входящего тока.
Отрицательное колено на вольт–амперной характеристике для натриевого тока (рис. Б) обусловлено открыванием все новых натриевых каналов при увеличении степени деполяризации. Такое поведение натриевых каналов иллюстрирует рис. В. где приведена характерная S–образная кривая зависимости натриевой проводимости от мембранного потенциала. При таком потенциале, когда активация каналов достигает максимума, натриевый ток, входящий в клетку, также становится наибольшим (на рис. Б точка минимума кривой). При еще более положительных потенциалах натриевый ток начинает снижаться, поскольку при увеличении степени деполяризации линейно уменьшается действующая на ионы Na+ ЭДС (т.е. VM — ENa). а новые каналы уже не открываются. Когда VM становится равным ENa натриевый ток прекращается, а вольт–амперная характеристика пересекается с осью ординат.