Представление о мембранной теории происхождения биопотенциалов и ионных каналах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О МЕМБРАННОЙ ТЕОРИИ ПРОИСХОЖДЕНИЯ БИОПОТЕНЦИАЛОВ И ИОННЫХ КАНАЛАХ

Основные положения мембранной теории были сформулированы Бернштейном (1902), а затем развиты Бойлем и Конвеем (1941) и Ходжкиным, Катцем и Хаксли (1949, 1952). Современные электронно-микроскопические исследования говорят о том, что на поверхности клетки имеется двуслойная структура толщиной около 10 нм. Эта мембрана и обусловливает характер имеющих место электрофизиологических свойств нейронов. В покое только ионы калия способны проникать через мембрану. При этом концентрация ионов калия в цитоплазме значительно выше, чем в наружном растворе. Ионы калия, диффундируя через мембрану, выносят на поверхность нейрона положительный заряд до тех пор, пока не уравняются потоки калия внутрь и наружу. Следующее уравнение выражает равновесный мембранный потенциал:

(1)

где: V - разность потенциалов между наружной и внутренней поверхностями мембраны,

R - газовая постоянная,

Т - абсолютная температура,

F - число Фарадея,

[K]и [K] - соответственно внутренняя и наружная концентрации ионов калия.

Затем было обнаружено, что возбудимые мембраны хорошо проницаемы не только для ионов калия, но и для ионов хлора и, таким образом, мембранный потенциал является потенциалом равновесия не только для калия, но и для хлора, т.е.:

мембрана клетка ион насос

 (2)

Когда же было показано, что и натрий способен проникать через мембрану, то пришлось отказаться от представлений мембраны как пассивной структуры. Дэном (1941) была высказана идея о том, что постоянный концентрационный градиент ионов натрия между клеткой и наружной средой поддерживается благодаря тому, что натрий выталкивается из клетки с помощью особого механизма, связанного с метаболизмом клетки. И в физиологии начали различать два типа распределения ионов между клеткой и наружной средой: пассивный - обусловленный диффузионными и электростатическими силами, и активный - обусловленный деятельностью «насосов» и связанный с метаболизмом.

Таким образом, прохождение ионов через поверхностную мембрану осуществляется посредством двух различных механизмов. С одной стороны, ионы разных видов проходят свободно благодаря диффузии, причем «полезное» прохождение ионов через единицу поверхности мембраны определяется проницаемостью мембраны для ионов данного вида и их электрохимическим градиентом. С другой стороны, ионы могут передвигаться против своего электрохимического градиента, т.е. термодинамически, они как бы выкачиваются с усилием, и этот процесс требует затраты работы, которая в конечном счете обеспечивается энергией обмена веществ (см. выше)

Отрицательные ионы хлора, пересекая поверхностную мембрану снаружи внутрь, передвигаются против электрохимического градиента, в направлении от положительно заряженной к отрицательно заряженной поверхности, т.е. они двигаются как бы «в гору». Наоборот, движение ионов хлора в противоположном направлении имеет характер эквивалентного «падения» по градиенту, т.е. они двигаются как бы «с горы». Следует ожидать, что при равных концентрациях по обе стороны мембраны количество ионов, пересекающих мембрану снаружи внутрь, т.е. двигающихся «в гору», будет значительно меньше количества ионов, пересекающих мембрану изнутри кнаружи, т.е. двигающихся «с горы». Однако, увеличивая наружную концентрацию ионов хлора, а следовательно и число попыток проникновения их внутрь, можно уменьшить это расхождение. Количества ионов хлора, пересекающих мембрану в двух противоположных направлениях, равны в том случае, когда отношение внутренней и наружной концентраций связано с мембранным потенциалом E (в мВ), согласно уравнению Нернста (при 38 град.):

E= 61,5 lg . (3)

Таким образом, когда по обе стороны мембраны наблюдается такое соотношение концентраций, для ионов хлора создается устойчивое состояние, и тогда E, будет потенциалом равновесия для ионов хлора. Экспериментально показано, что для мотонейрона E= -70мВ, т.е. при нормальном потенциале покоя ионы хлора находятся в электрохимическом равновесии и при этом, согласно уравнению Нернста, существует 14-кратная разница в концентрациях ионов Cl снаружи (125мМ) и внутри (9мМ) клетки, что и создает разность потенциалов в -70мВ.

В отношении ионов калия экспериментально показано, что в нормевеличина E достигает примерно -90мВ. Таким образом, при потенциале покоя -70мВ электрохимический потенциал для ионов калия должен быть равен -20мВ. Внутренняя концентрация ионов калия (150мМ) приблизительно в 2 раза больше той, которая необходима для диффузионного равновесия при мембранном потенциале покоя. Следовательно, при потенциале покоя -70мВ выходящий из клетки диффузионный поток ионов калия должен быть вдвое больше потока, входящего в клетку. Устойчивое состояние для ионов калия может быть сохранено лишь в том случае, если недостаточность входящего потока будет компенсироваться работой какого-то механизма, нагнетающего ионы калия внутрь клетки и создающего ионный поток такой же интенсивности, какую имеет поток, обусловленный диффузией.

Что касается ионов натрия, то при мембранном потенциале покоя электрохимический потенциал для ионов натрия противоположен по направлению электрохимическому потенциалу для ионов калия и гораздо больше его по величине (составляя примерно 130мВ). Вследствие этого для ионов натрия входящий диффузионный поток превышает выходящий в 100 раз, и устойчивое равновесие достигается в том случае, когда выкачивание ионов натрия из клетки фактически равно диффузии этих ионов внутрь клетки.

Есть основание считать, что действие насоса, нагнетающего калий внутрь клетки, связано с действием насоса, выкачивающего натрий из клетки. При этом избыток анионов внутри клетки сохраняется, благодаря сочетанному действию Na-K насоса.

Значение потенциала покоя для разных возбудимых клеток составляет: в мотонейронах спинного мозга - -50-70мВ, в пирамидных клетках коры больших полушарий - -60мВ, в скелетно-мышечных волокнах - -90мВ.

Потенциал покоя формируется благодаря действию следующих факторов: 1) трансмембранным градиентам концентраций ионов натрия и калия (при преобладании внеклеточной концентрации ионов натрия над внутриклеточной в 8-10 раз и преобладании внутриклеточной концентрации ионов калия над внеклеточной в 40-60 раз); 2) высокой проницаемости мембраны в покое для ионов калия; 3) низкой проницаемости мембраны в покое для ионов натрия.

Таким образом, выходящий калиевый ток преобладает над входящим натриевым током, что обусловливает образование на внутренней поверхности мембраны избытка отрицательных зарядов, представленных в основном крупными белковыми анионами, для которых мембрана непроницаема. Ионы калия, выходящие из клетки, удерживаются на наружной поверхности мембраны электростатическим полем, создаваемым отрицательным зарядом внутренней поверхности. Очевидно, что основную роль в формировании потенциала покоя играет мощный калиевый ток, выходящий из клетки по концентрационному градиенту (пассивный транспорт ионов). Эти отношения между входящим и выходящим током калия и натрия изображены на рис.1.

Рис.1. Схематическое изображение потоков ионов калия и натрия, проходящих через поверхностную мембрану в состоянии покоя (из: J.C. Eccles «The Physiology of Nerve Cells», 1957).

Под влиянием каких-либо воздействий может происходить либо уменьшение трансмембранной разности потенциалов (т.е. деполяризация мембраны), либо ее увеличение (т.е. гиперполяризация мембраны).

Кратковременная и обратимая деполяризация мембраны при действии подпорогового стимула представляет собой локальный ответ, который в случае синаптического процесса превращается в возбудительный постсинаптический потенциал (ВПСП). Если деполяризация мембраны достигает критической величины (около -50 мВ), то на вершине локального ответа (равно как и на вершине ВПСП) возникает распространяющийся потенциал действия, представляющий собой быстрое деполяризационное колебание с последующей электрической перезарядкой возбудимой мембраны. Потенциал действия (ПД) является непременным признаком распространяющегося возбуждения. Формирование ПД на определенном участке мембраны возникает тогда, когда амплитуда локального ответа достигает критического уровня и деполяризация приобретает регенеративный характер. При этом прогрессивно усиливается входящий ток ионов натрия, что проявляется в виде крутого подъема исходного мембранного потенциала до нулевого значения (быстрая деполяризация) и далее - в зону положительных значений («овершут»). Затем наступает быстрая реполяризация мембраны (возврат к исходному уровню); при этом возможны следовые процессы (следовая деполяризация, т.е. сменяющее быструю реполяризацию продолжающееся медленное возвращение к исходному уровню, и возможное увеличение отрицательного значения мембранного потенциала - следовая гиперполяризация). Фрагмент колебания, включающий в себя быструю деполяризацию, овершут и быструю реполяризацию называется пиком (спайком) потенциала действия. Важным параметром потенциала действия является его амплитуда, т.е. разность между исходным уровнем мембранного потенциала и экстремальной точкой пика. Амплитуда ПД в мотонейронах спинного мозга составляет 100-120 мВ, в скелетно-мышечных волокнах - 120-130 мВ. Следовые де- и гиперполяризационные потенциалы могут быть разной выраженности.

В основе описанных процессов лежат следующие мембранные механизмы. Деполяризация, достигшая критического уровня, приобретает регенеративный характер. При этом происходит лавинообразное открытие ворот натриевых каналов и формирование циклического взаимодействия с положительной обратной связью. Однако такой характер процесса сохраняется лишь до момента закрытия натриевых каналов (натриевая инактивация). Поскольку эта инактивация в каждом канале происходит со стабильной (но различной для разных возбудимых клеток) задержкой, то этот процесс закрытия натриевых ворот должен иметь такой же лавинообразный характер, как и открытия ворот. Инактивация предотвращает дальнейший рост внутриклеточной позитивности. Последующая быстрая реполяризация обусловлена не только продолжающейся натриевой инактивацией, но и активацией калиевых каналов, реагирующих на деполяризацию мембраны медленнее, чем натриевые каналы. Усиливающийся при этом выходящий ток ионов калия способствует негативизации внутренней поверхности мембраны. Описанная динамика ионных токов характерна для формирования ПД в нервных клетках и скелетно-мышечных волокнах. Следовые потенциалы, в тех случаях, когда они возникают, отражают соотношения деполязизующего натриевого и реполяризующего калиевого токов на этом этапе развития потенциала действия.

Натрий-калиевый насос.

Механизм, поддерживающий разность вне- и внутриклеточных концентраций ионов натрия и калия возбудимых клеток посредством активного транспорта этих ионов против их концентрационного градиента, и представляет собой натрий-калиевый насос. Работа этого механизма требует затрат энергии, что принципиально отличает его от механизмов формирования потенциалов покоя и действия, в основе которых лежат пассивные ионные токи, обусловленные трансмембранными градиентами концентраций этих ионов. Активность натрий-калиевого насоса, по существу, компенсирует результаты пассивного трансмембранного транспорта ионов Na и K. Эффективность этой компенсации обнаруживается в том, что внутриклеточная концентрация этих ионов и их трансмембранные концентрационные градиенты поддерживаются на постоянном уровне, несмотря на то, что, во-первых, в процессе формирования мембранного потенциала покоя происходит мощный отток ионов калия из клетки и слабый, но непрерывный, приток в клетку ионов натрия, и, во-вторых, в процессе формирования каждого потенциала действия возникают кратковременные, но мощные входящие токи ионов натрия.

Внутренний механизм переноса ионов против концентрационного градиента окончательно не выяснен, однако известен общий принцип его работы. В качестве транспортного элемента выступает белковая макромолекула, фиксированная в плазматической мембране. Кроме транспортной функции она выполняет роль фермента Na-K-АТФазы, участвующего в энергетическом обеспечении активного транспорта ионов. Посредством своего натрий-селективного центра, расположенного на внутренней стороне мембраны, она связывает 3 иона натрия, который переносится на ее наружную сторону, где освобождается в межклеточную среду. Затем, в результате конформационных изменений, макромолекула приобретает сродство к калию и присоединяет 2 его иона. Образование этой связи стимулирует переход носителя на внутреннюю сторону мембраны и выделение ионов калия в цитоплазму. На этом этапе АТФазная активность макромолекулы, способствуя гидролизу АТФ до АДФ, энергетически обеспечивает процесс преобразования переносчика и приобретения им вновь сродства к натрию, на чем и заканчивается очередной транспортный цикл.

АТФазная активность и активность ионного насоса увеличивается при возрастании концентрации ионов калия во внешней среде и ионов натрия во внутренней. Эта зависимость имеет большое функциональное значение, т.к. указанные изменения концентрации ионов калия и натрия возникают как результат усиления активности нейронов, учащающих генерацию потенциалов действия.

То обстоятельство, что на каждые 3 иона выведенного натрия насос «закачивает» в клетку только 2 иона калия, приводит к усилению поляризации мембраны. В этом заключается электрогенный эффект деятельности натрий-калиевого насоса. Энергия, затрачиваемая натрий-калиевым насосом «запасается» в виде концентрационных и электрохимических градиентов ионов натрия и калия, чтобы реализоваться пассивными ионными токами, формирующими потенциал покоя и потенциал действия возбудимой клетки. Этот механизм активного транспорта ионов натрия и калия через мембрану возбудимой клетки обеспечивает поддержание внутриклеточного ионного осмотического гомеостаза.

Ионные каналы.

Это белковые макромолекулы, погруженные в липидный бислой плазматической мембраны (трансмембранные белки), образующие заполненные водой поры, через которые проникают неорганические ионы. Эти каналы обладают селективностью, т.е. через каждый из них могут проходить только ионы определенного вида. Движение этих ионов обусловлено градиентами их концентраций по обе стороны мембраны и трансмембранно разностью электрических потенциалов (мембранным потенциалом). Сочетанное влияние этих двух факторов обозначается как электрохимический градиент. Такой механизм переноса ионов через мембрану называется пассивным транспортом, т.к. это движение осуществляется без непосредственной затраты энергии за счет энергии, «запасенной» ранее в виде потенциальной энергии концентрационных градиентов транспортируемых ионов.

Единичный ионный канал может быть в одном из двух состояний: либо открытым, либо закрытым. Эти изменения состояния происходят в результате конформационных изменений макромолекулы, открывающих или закрывающих канал на определенном его участке, называемом воротами. На рис.2 представлена клеточная мембрана и ионный канал.