Занятие 6.
Тема: «Мембранные процессы, законы раздражения, методы регистрации биопотенциалов»
Клеточная мембрана, плазматическая мембрана, плазмолемма – очень тонка, но достаточно прочная оболочка клетки. В животных клетках на наружной поверхности плазмолеммы находится гликопротеидный комплекс толщиной несколько десятков нм, гликокаликс.
Строение. Мембраны состоят из белков, углеводов и липидов. Углеводные компоненты, связанные с молекулами белков и липидов, образуют соответственно гликопротеины и гликолипиды. Структурная основа мембраны – бимолекулярный слой фосфолипидов. Молекулы фосфолипидов амфифильны, то есть одна часть молекулы полярна и несет заряженную группу, и поэтому обладает гидрофильностью, а другая неполярна, обладает гидрофобностью. Липидные бислои стремятся замкнуться сами на себя, чтобы спрятать гидрофобные участки от воды. В результате образуются фосфолипидные везикулы – липосомы. Таким образом, образование липидных мембран –это самопроизвольный процесс. В составе липидов мембраны много холестерина, регулирующего подвижность компонентов бислоя. Белки, входящие в состав мембраны, лишь вкраплены в бислой. По степени гидрофобности различают собственные (интегральные) белки. Они связаны с липидами бислоя прочными гидрофобными взаимодействиями и могут проникать глубоко в липидный бислой или даже пронизывать его насквозь, образуя каналы для транспорта ионов. Переферические белки или полуинтегральные, удерживаются на поверхности бислоязасчет электростатических взаимодействий на уровне полярных головок молекул фосфолипидов.
Функции.
· Барьерная функция: разделение внутреннего объема клетки на отдельные отсеки – компоненты.
· Рецепторная функция: воспринимают гормоны и другие регуляторные молекулы, контролирует взаимодействие клеток со средой и друг с другом, осуществляют транспорт веществ.
· Транспортная функция: осуществляется специализированными структурами, такими как ионные каналы, белки ферменты, транспортная АТФ-азы, благодаря которым обеспечивается избирательная проницаемость мембраны для определенного вида ионов в состоянии покоя и при возбуждении.
Транспорт.
Одной из функций мембраны является транспорт веществ. Жирорастворимые вещества транспортируются, растворяясь в фосфолипидах мембраны. Водорастворимые вещества перемещаются с помощью белков. Если транспорт веществ осуществляется с затратой энергии АТФ, то он называется активным, а если без затраты АТФ — то пассивным. Транспорт одного вещества в одном направлении через каналы или непосредственно через фосфолипиды мембраны называется простой диффузией (унипорт). Транспорт веществ с участием белков-переносчиков называется облегченной диффузией. Транспорт двух веществ в противоположном направлении с помощью белков-переносчиков называется антипорт, в одном направлении — симпорт. Таким образом, транспорт водорастворимых веществ осуществляется либо с помощью белков-переносчиков, либо через каналы.
Ионные каналы.
Каналы мембраны обладают способностью пропускать исключительно ионы и (или) воду. Ионные каналы представлены интегральными белками (гликопротеинами), пронизывающими липидный бислой мембраны. Систематизация и классификация каналов достаточно трудна. В настоящее время существует несколько классификаций каналов, которые в разных соотношениях учитывают свойства каналов, а именно селективность, способ открытия, скорость активации и инактивации, наличие и расположение рецепторов и регуляторных участков, чувствительность к химическим веществам (блокаторам, т. е. антагонистам, и активаторам, т. е. агонистам). Условно каналы делят на неспецифические (неселективные) и специфические (селективные). Существуют неспецифические каналы для ионов калия, натрия и кальция. Специфические каналы пропускают один вид ионов.
Функционально целесообразной является классификация каналов на неуправляемые (нерегулируемые) и управляемые (регулируемые). Представителями первого вида являются калиевые каналы утечки. В покое, при исходном значении мембранного потенциала покоя, они открыты. Токи утечки участвуют в формировании мембранного потенциала покоя. Важным свойством регулируемых каналов является их способность находиться в открытом и закрытом состоянии. В первом состоянии они способны пропускать определенные ионы по их электрохимическому градиенту, во втором — нет. Выделяют два вида каналов в зависимости от природы управляющего фактора.
1. К первому виду относятся каналы, имеющие собственный сенсор внешнего сигнала. Он входит в состав макромолекулы канала. В зависимости от способа управления эти каналы делятся на:
а) потенциал-управляемые (электровозбудимые) — их проводимость зависит от электрического заряда на мембране (№-, К-, Са-, Q-ные). Для открытия этих каналов необходимы значительные сдвиги потенциаламембраны (быстрые электровозбудимые №- и К-каналы, медленные электровозбудимыеСа-№-каналы). Данный вид каналов участвует в формировании потенциала действия;
б) лиганд-управляемые (хемовозбудимые) — открываются и закрываются при воздействии специфических химических веществ (медиаторов). Обеспечивают быструю передачу сигналов в химических синапсах. Эти каналы открываются при связывании с рецептором специфических агонистов — ацетилхолина, глутамата, глицина, гамма-аминомасляной кислоты и называются ионотропными. Примером являются каналы постсинаптической мембраны мионеврального синапса, вегетативных ганглиев;
в) механосенситивные или стреч-каналы — чувствительны к растяжению мембраны. Эти каналы обнаружены как в возбудимых клетках (слуховых клетках, механорецепторах, нейросекреторных клетках, гладкомышечных, кардиомиоцитах), так и невозбудимых (глиальных, сосудистом эндотелии, эритроцитах). Механизм влияния растяжения на вероятность открытия стреч-каналов еще неясен. Во многих клетках были обнаружены как неселективные, так и селективные (для ионов К и Q) стреч-каналы.
2. В каналах второго вида рецептор внешнего сигнала пространственно разобщен с каналом. Взаимодействие рецептора и канала осуществляется с помощью растворимых внутриклеточных вторичных посредников. Эти каналы называются метаботропные. При взаимодействии медиатора с рецептором на мембране активируется G-белок, который, в свою очередь, активирует фермент (аденилатциклазу, фос-фолипазу). В результате в цитоплазме образуются сигнальные молекулы вторичных посредников, которые влияют на проводимость канала.
Мембранные потенциалы
Все клеточные мембраны поляризованы, т. е. регистрируется разность потенциалов между наружной и внутренней стороной мембраны. Эта разность потенциалов получила название мембранный потенциал (МП), а в возбудимых тканях — мембранный потенциал покоя (МПП). Величина МПП возбудимых клеток составляет от -50 мВ до -90 мВ.
Механизм формирования МПП объясняет мембранно-ионная теория. Мембрана клеток возбудимых систем характеризуется наличием градиента катионов и анионов. Внутреннее содержимое клетки представлено преимущественно катионами калия и анионами органических кислот. Снаружи клетки находятся катионы натрия и анионы хлора. В состоянии покоя клеточная мембрана хорошо проницаема для ионов калия (в скелетных мышечных волокнах и для ионов хлора), менее проницаема для ионов натрия и практически непроницаема для анионов органических кислот. Ионы калия по градиенту концентрации путем простой диффузии диффундируют из клетки через калиевые каналы утечки, заряжая наружную поверхность мембраны электроположительно. Анионы органических кислот остаются в клетке, тем самым обеспечивая появление разности потенциалов. Таким образом, внутренняя поверхность мембраны становится электроотрицательной по отношению к наружной ее поверхности. Эта разность потенциалов называется мембранным потенциалом покоя. Возникшая разность потенциалов препятствует дальнейшему выходу ионов калия из клетки, наступает равновесие между диффузией калия из клетки по концентрационному градиенту и входом этих катионов по электрическому градиенту. Мембранный потенциал, при котором достигается это равновесие, называется равновесным калиевым потенциалом. При изменении градиента ионов калия на мембране происходит изменение МПП. Функциональное значение МПП заключается в готовности клетки принимать информацию, т. е. реагировать на воздействия.
В состоянии покоя мембрана нервных клеток незначительно проницаема для ионов натрия и хлора, и вклад этих ионов в формирование МПП в нейронах невелик. Величина МПП нейронов в среднем составляет -70 мВ. Мембрана скелетных мышечных волокон в состоянии покоя относительно хорошо проницаема для ионов хлора, что приводит к увеличению трансмембранной разности потенциалов до -90 мВ. Снижение МПП носит название деполяризация, а его увеличение — гиперполяризация.
Постоянство концентрации ионов калия и натрия на мембране обеспечивается работой натрий-калиевого насоса (натрий-калиевой АТФа-зы). Это интегральный белок, выполняющий функцию транспорта ионов калия в клетку и натрия из клетки. Используя одну молекулу АТФ насос выносит из клетки 3 иона натрия и вносит 2 иона калия. Таким образом, при работе насоса формируется дополнительный заряд мембраны — насосный потенциал. Следовательно, МПП нейрона имеет две составляющих: концентрационный потенциал и насосный потенциал, а натрий-калиевый насос обладает электрогенными свойствами, т. е. при работе формирует дополнительный заряд на мембране. Работа насоса блокируется сердечным гликозидом оуабаином. При блокаде насоса со временем происходит выравнивание концентраций натрия и калия на мембране и, как следствие, снижение МПП. Активация работы насоса происходит при увеличении концентрации натрия внутри клетки и (или) увеличении концентрации калия на наружной поверхности мембраны.
При действии на клетку раздражителя наблюдается быстрое изменение заряда мембраны, снижение ММП и даже изменение заряда на противоположный. Этот процесс получил название процесс возбуждения. Возбуждение может протекать в двух формах: местное возбуждение (локальный ответ, ЛО) и распространяющееся возбуждение (потенциал действия, ПД).
В зависимости от силы раздражители делятся на пороговые, подпороговые и сверхпороговые. Порог раздражения — это минимальная сила раздражителя, которая вызывает ответ клетки в форме ПД. Подпороговые раздражители вызывают местное возбуждение. Раздражители пороговой силы снижают МПП до некоторой величины, которая называется критическим уровнем деполяризации (КУД). При достижении КУД на мембране открываются потенциал-управляемые натриевые и калиевые каналы. Проницаемость мембраны для ионов натрия резко повышается, натрий лавинообразно устремляется внутрь клетки, что вызывает перезарядку мембраны, внутренняя сторона которой становится электроположительной по отношению к наружной. Эта фаза ПД называется быстрая деполяризация. При достижении пика ПД проницаемость мембраны для ионов натрия резко падает, а проницаемость для ионов калия становится максимальной. Ионы калия выходят из клетки черезпотенциал-управляемые каналы, в результате чего происходит восстановление МПП. Эта фаза называется быстрая реполяризация. Амплитуда ПД составляет 100—120 мВ, длительность 2—5 мс. Электровозбудимые натриевые каналы имеют два типа ворот — активационные (m) и инактивационные (h) — и могут находиться в трех состояниях:
· закрыты, готовы к работе (при МПП);
· открыты, т. е. активированы (фаза быстрой деполяризации ПД);
· инактивированы (пик ПД и начало фазы реполяризации).
Электровозбудимые калиевые каналы имеют только один тип ворот (активационные) и поэтому могут находиться в двух состояниях:
· закрыты, готовы к работе (при МПП);
· открыты, т. е. активированы (фаза де- и реполяризации).
ПД может сопровождаться следовыми процессами:
· отрицательный следовой потенциал (следовая деполяризация);
· положительный следовой потенциал (следовая гиперполяризация).
Величина порога раздражения определяется соотношением МПП и КУД мембраны: порог = МПП - КУД.
Порог является мерой возбудимости мембраны. Увеличение порога раздражения свидетельствует о понижении возбудимости, понижение порога — о повышении возбудимости мембраны.
При действии на мембрану подпороговых раздражителей деполяризация не достигает критического уровня и ПД не возникает, формируется местное возбуждение. Местное возбуждение обладает следующими свойствами:
1) амплитуда зависит от силы раздражителя;
2) распространяется по мембране с затуханием, т. е. с уменьшением амплитуды;
3) способно к суммации и может перерасти в ПД, если деполяризация достигнет КУД;
4) возбудимость мембраны повышается, т. к. МПП приближается к КУД.
Свойства ПД:
1) возникает при действии пороговых и сверхпороговых раздражителей. Амплитуда не зависит от силы раздражителя. Всегда максимален по величине, т. е. подчиняется закону «Все или ничего»;
2) распространяется по мембране без изменения амплитуды.
Во время развития ПД наблюдается изменение возбудимости мембраны:
а) фаза быстрой деполяризации — возбудимость резко падает. Развивается состояние полной невозбудимости (абсолютный рефрактерный период);
б) фаза быстрой реполяризации — возбудимость постепенно восстанавливается (относительный рефрактерный период);
в) следовая деполяризация — возбудимость повышена;
г) следовая гиперполяризация — возбудимость понижена. Состояние рефрактерности мембраны обусловлено полной или частичной инактивациейэлектровозбудимых натриевых каналов.
Значение рефрактерного периода заключается в обеспечении дискретности ПД. Рефрактерность в свою очередь определяет лабильность возбудимой ткани. Лабильность — это способность возбудимых систем воспроизводить ритм раздражения в свойственных им реакциях. Длительность рефрактерного периода определяет лабильность ткани: чем длиннее рефрактерный период, тем меньше лабильность. Мерой лабильности является максимальная частота элементарных актов возбуждения, которые может воспроизводить возбудимая система в строгом соответствии с ритмом стимуляции. Высокой лабильностью обладают нервные волокна от 500 до 1000 имп/с, меньшей — мышечные — до 250 имп/с, самой низкой лабильностью характеризуется синапс — 100 имп/с.
Функционирование №- и К-электровозбудимых каналов обеспечивает процесс возбуждения в клетках, поэтому большой интерес представляют вещества, изменяющие активность каналов. Часть этих веществ имеют естественное происхождение (природные нейротоксины), часть — синтетические препараты. К природным блокаторам потенциал-управляемых натриевых каналов относится тетродотоксин — алкалоид животного происхождения, выделяемый из рыбы фуку. Этот яд действует снаружи, формируя пробку в канале. По-иному действует батрахотоксин, секрет кожных желез колумбийской лягушки. Он блокирует быструю инактивацию канала, увеличивая период его открытия, что приводит к стойкой деполяризации мембраны. Подобным образом действует растительный алкалоид аконитин. Местные анестетики (новокаин, лидокаин, бензокаин, тетрокаин), которые по химической природе являются третичными аминами, препятствуют генерации ПД в нервных волокнах, встраиваясь между m- и h-воротами. Электровозбудимые калиевые каналы блокирует тетраэтиламмоний.
Законы раздражения
По биологическому значению все раздражители делятся на адекватные и неадекватные. Адекватными называются раздражители, к восприятию которых данная возбудимая структура приспособилась в процессе эволюции. К неадекватным относятся раздражители, не являющиеся в естественных условиях средством возбуждения, однако способные при большой силе вызвать процесс возбуждения. В качестве адекватного раздражителя возбудимых структур в физиологии и медицине используют электрический ток. Для раздражения (стимуляции) нервов или мышц используют приложенный извне электрический ток, во время протекания которого возникает процесс возбуждения.
Полярный закон раздражения
Деполяризующее действие на мембрану оказывает ток выходящего направления. Ток входящего направления гиперполяризует мембрану.
Закон порога
ПД возникает при действии на мембрану пороговых и сверхпороговых раздражителей. При действии подпороговых раздражителей возникает местное возбуждение (см. выше). На основании закона порога возбудимые структуры делятся на высоковозбудимые (низкопороговые) и низковозбудимые (высокопороговые).
Закон аккомодации
Величина порогового стимула зависит от скорости его нарастания. При медленном нарастании деполяризующего тока наблюдается повышение порога, т. е. аккомодация. При некоторой минимальной крутизне нарастания тока распространяющееся возбуждение вообще не возникает, а возникает лишь местное возбуждение. Причиной аккомодации является инактивацияэлектровозбудимых натриевых каналов под влиянием длительнойдеполяризации мембраны и сдвиг КУД в позитивную сторону.