Биоэлектрические явления

      = (ф.1),

     где R –газовая постоянаая, T – абсолютная температура, Z – валентность иона и F – постоянная Фарадея. Для калия эта величина составляет –97мВ. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     4. Мембранный потенциал действия 

     Если  на нерв или мышцу нанести раздражение  выше порога возбуждения, то МПП нерва  или мышцы быстро уменьшается и на короткий промежуток времени (миллисекунда) произойдет перезарядка мембраны: ее внутренняя сторона станет заряженной положительно относительно наружной. Это кратковременное изменение МПП, происходящее при возбуждении клетки, которое на экране осциллографа имеет форму одиночного пика, называется мембранным потенциалом действия (МПД) (рис.2).

     МПД в нервной и мышечной тканях возникает  при снижении абсолютной величины МПП (деполяризации мембраны) до некоторого критического значения, называемого порогом генерации МПД. В гигантских нервных волокнах кальмара МПД равен –60 мВ. При деполяризации мембраны до –45 мВ (порог генерации МПД) возникает МПД.

     Во  время возникновения МПД в  аксоне кальмара сопротивление мембраны уменьшается в 25 раз, с 1000 до 40 Ом/см², тогда как электрическая емкость не изменяется. Указанное снижение сопротивление мембраны обусловлено увеличением ионной проницаемости мембраны при возбуждении.

     По  своей амплитуде (100-120 мВ) МПД на 20-50 мВ превышает величину МПП. Другими словами, внутренняя сторона мембраны на короткое время становится заряженной положительно по отношению к наружной, - «овершут» или реверсия заряда.

     Причиной  таких изменений мембранного  потенциала является увеличение проницаемости  мембраны для ионов натрия. Это происходит благодаря открытию натриевого канала. Натриевый канал представляет собой гликопротеид. Этот белок обладает способностью изменять свою конформацию при изменении величины мембранного потенциала.

     Механизм, который обеспечивает открывание и  закрывание ионных каналов, получил название ворот канала. Принято различать активационные (m) и инактивационные (h) ворота. Ионный канал может находиться в трех основных  состояниях: закрытом (m – ворота закрыты; h – открыты), открытом (m – и h – ворота открыты) и инактивированном (m – ворота открыты; h – закрыты).

     Деполяризация мембраны, вызываемая раздражающим стимулом, например, электрическим током, открывает m – ворота натриевых каналов и обеспечивает появления направленного внутрь потока положительных зарядов – ионов натрия. Это ведет к дальнейшей деполяризации мембраны, что в свою очередь, увеличивает число открытых натриевых каналов и следовательно, повышает натриевую проницаемость мембраны. Возникает «регенеративная» деполяризация мембраны, в результате которой потенциал внутренней стороны мембраны стремится достичь величины натриевого равновесного потенциала.

     Причиной  прекращения роста МПД и реполяризации  мембраны клетки является: а) увеличение деполяризации мембраны, т.е. когда  мембранный потенциал (Е_м ) → Е_Nа, в результате чего снижается электрохимический градиент для ионов натрия, равный Е_м - Е_{Nа. (}уменьшается сила, «толкающая» натрий внутрь клетки); б) деполяризация мембраны порождает процесс инактивации натриевых каналов (закрывание h- ворот), который тормозит рост натриевой проницаемости мембраны и ведет к ее снижению; в)  деполяризация мембраны увеличивает ее проницаемость для ионов калия. Процессы инактивации натриевых каналов может быть блокирован токсинами и фармакологическими препаратами (местными анестетиками). Выходящий калиевый ток стремится сместить мембранный потенциал в сторону калиевого равновесного потенциала.

     Снижение  электрохимического потенциала для  ионов натрия и инактивации натриевых  каналов уменьшает величину входящего  натриевого тока. В определенный момент времени величина входящего тока натрия сравнивается с возросшим выходящим током – рост МПД прекращается. Когда суммарный выходящий ток превышает входящий, начинается реполяризация мембраны, которая также имеет регенеративный характер. Начавшаяся реполяризация ведет к закрыванию активационных ворот (m), что уменьшает натриевую проницаемость мембраны, ускоряет реполяризацию, а последняя увеличивает число закрытых каналов и т.д.

     С инактивацией натриевых каналов  связано важное свойство нервного волокна, называемое рефрактерностью. Во время абсолютного рефрактерного периода нервное волокно полностью утрачивает способность возбуждаться при действии раздражителя любой силы. Относительная рефрактерность, следующая за абсолютной, характеризуется более высоким порогом возникновения МПД.

Рис. 2. Потенциал действия

     А. График развития потенциала действия. Б. Изменения проницаемости мембраны в процессе развития потенциала действия.

1. – фаза медленной деполяризации; 2. – фаза быстрой деполяризации; 3.- фаза реполяризации; 4.- фаза гиперполяризации.

     4.1.  Распространение потенциала действия 

       При распространении потенциала  действия отмечается полное возбуждение  каждой точки нервного волокна,  так что амплитуда потенциала действия везде одна и та же. Протекающие по принципу «всё или нечего» процессы возбуждения в разных участках мембраны связаны посредством электротонического распространения раздражающих токов вдоль волокна. Ионы натрия, которые входят в волокно в возбужденном участке мембраны, служат источником тока для возникновения деполяризующего электротонического потенциала в соседнем, еще не возбужденном участке. Когда эта деполяризация достигает порога, она вызывает в этом участке возбуждение. Таким образом, состояние возбуждения распространяется посредством электротонической связи от возбуждаемых участков мембраны к еще не возбужденным. Однако такое распространение возбуждение довольно медленное. Гораздо быстрее потенциал действия распространяется в миелинизированных нервных волокнах. Это обусловлено особенностям строения миелинизированных волокон: только очень короткие участки этих волокон (перехваты Ранвье) покрыты обычной клеточной мембраной. Поэтому при проведении ток, по существу, не идет через мембрану межперехватных участков, и потенциал действия от одного перехвата Ранвье к другому распространяется через межперхватные участки. Время проведения через межперехватные участки практически равно нулю – возбуждение перескакивает от одного перехвата к следующему (сальтаторное проведение).  

     4.2.  Межклеточная передача возбуждения 

       Как мы уже отмечали выше, по  нервной клетке информация передается в виде потенциалов действия. Передача информации к соседней клетке происходит через специальные межклеточные контакты – синапсы. Синапсы подразделяются на химические и электрические. В химических синапсах проведение осуществляется благодаря особым веществам – медиаторам, а в электрических синапсах решающее значение для проведения имеет специфическое распределение токов. Нами будут рассмотрены синапсы первого типа, поскольку именно они обеспечивают сложное взаимодействие клеток в организме человека. 

     На  рисунке 3 показаны важнейшие компоненты химического синапса. Распространяющийся по аксону потенциал действия вызывает деполяризацию пресинаптической мембраны, что приводит к высвобождению медиатора и поступлению его в синаптическую щель. Медиатор диффундирует к плазматической мембране постсинаптической клетки (постсинаптической мембране), где происходит его взаимодействие с рецепторами. Рассмотрим эти процессы на молекулярном уровне несколько подробнее. Для этого нам потребуется, прежде всего информация о химическом строении медиаторов и их функции. Одним из наиболее распротсраненных медиаторов является ацетилхолин, который относится к числу возбуждающих медиаторов. К той же группе медиаторов относят и моноамины дофамин, серотонин, норадреналин, адреналин. Последние два объединены в группу катехоламинов. Среди медиаторов имеются и аминокислоты: γ-аминомасляная кислота и глицин. Оба этих медиатора оказывают тормозящее воздействие на постсинаптические клетки. Аминокислоты, моноамины и ацетилхолин представляют собой группу так называемых «классических» медиаторов. Все они – низкомолекулярные соединения, образующиеся в качестве промежуточных продуктов метаболизма. Каждый из них связывается со специфическим рецепторов постсинаптической мембраны, в результате чего повышается ее проводимость – либо для натрия (и калия) в случае передачи возбуждения, либо для калия и хлора с развитием торможения. Кроме «классических» медиаторов в межклеточном взаимодействии участвуют более сложные по химическому строению и обладающие большей молекулярной массой вещества – пептиды. К важнейшим пептидным медиаторам относят мет-энкефалин, лей-энкефалин, вещество Р, ангиотензин II, вазоактивный кишечный (интерстинальный) пептид, соматостатин, рилизинг-гормон лютеотропного гормона (люлиберин или ЛГРГ). Медиаторы накапливаются в синаптических пузырьках, ассоциированных с участками пресинаптической мембраны. Эту ассоциацию можно рассматривать как аппарат, специализированный для экзоцитоза, т.е. для выброса медиаторов в синаптическую щель. При этом медиатор поступает в синаптическую щель в виде квантов, соответствующих объему одного пузырька. Небольшое количество медиатора выделяется и в состоянии покоя, но пик поступления медиатора в синаптическую щель связан с деполяризацией пресинаптической мембраны – потенциал действия пресинаптического окончания ведет к почти синхронному высвобождению квантов медиатора, которое приводит к генерированию потенциала в постсинаптической мембране. Ключевую роль в квантовом высвобождении медиатора играет входящий ток ионов кальция.

     Поступивший в синаптическую щель медиатор взаимодействует с рецептором постсинаптической мембраны, вызывая изменение ее проводимости. Механизм этого взаимодействия описан в рамках теории молекулярной рецепции – раздела биокинетики. Несколько слов об истории вопроса. В начале XX-го века П.Эрлих и И.И.Мечников сформулировали теорию боковых цепей (Нобелевская премия, 1908). Согласно этой теории на клеточной поверхности имеются особые химические соединения, которые образуют «боковые цепи». Химические соединения способны взаимодействовать с этими боковыми цепями. В результате взаимодействия происходит клеточное распознавание веществ и формирование клеточного ответа. П.Эрлих назвал эти боковые цепи рецепторами (от латинского recipere – получать, узнавать). Он сформулировал основной постулат рецепторного механизма действия химических соединений: “вещество не действует, если не фиксировано” (“corpora non agun nisi fixata”). Первое количественное описание величины ответа клетки в зависимости от концентрации добавленного химического соединения было предпринято А. Кларком в 1926г. Аналогично тому, как это сделано в ферментативной кинетике, Кларк предположил, что химические вещества находятся в избытке по отношению к рецепторам. Кроме того, он предположил, что взаимодействие химических веществ с рецепторами обратимо. В настоящее время химические вещества, способные взаимодействовать с рецепторами, принято называть лигандами ( от латинского ligo – связываю). Такое взаимодействие лигандов с рецепторами, согласно Кларку записывается так:

     где L –лиганд; R – рецептор; LR – комплекс лиганда с рецептором или лиганд-рецепторный комплекс;

     Согласно  современным представлениям, большинство  биологически активных веществ и  лекарств оказывает воздействие на организм, регулируя функции клеток. При этом многие вещества не проникают в клетку, а оказывают свое действие опосредованно, взаимодействуя на клеточной мембране со специфическими молекулами, называемыми рецепторами. Рецепторы способны специфически распознать биологически активное вещество, обратимо или необратимо взаимодействовать с ним и передавать специфический сигнал об этом взаимодействии в клетку. Под рецепторами понимают макромолекулы, расположенные на цитоплазматической мембране клеток или внутриклеточно, способные специфически взаимодействовать с ограниченным набором биологически активных веществ (лигандов) и трансформировать сигнал об этом взаимодействии в специфический клеточный ответ. Все лиганды делятся на агонисты и антогонисты. Агонистами называют лиганды, которые, связываясь с рецепторами данного типа, активно вызывают клеточный ответ. В синапсе в качестве агонистов могут выступать как медиаторы, так и другие вещества. Это обусловлено тем, что специфичность мембранных рецепторов не абсолютна. Так,  в холинергическом синапсе в качестве агонистов могут выступать карбамилхолин и суберилдихолин. Другие вещества, также связывающиеся с рецепторами медиаторов, но не столь эффективно изменяющие мембранную проницаемость, называются частичными агонистами. Антагонистами называются лиганды, которые связываются с рецепторами и не вызывают активного клеточного ответа. Антагонисты препятствуют связыванию агонистов с рецепторами, угнетая клеточные функции. Связывание их может быть обратимым: спустя некоторое время антагонист отделяется от рецептора. Такие вещества называют конкурентными антагонистами, так как они конкурируют с медиаторами и их антагонистами за участки связывания. Хорошо известный конкурентный антагонист ацетилхолина в нервно-мышечном синапсе – яд кураре (d-тубокурарин). По мере повышения концентрации он блокирует все больше рецепторов, и эффект ацетилхолина ослабляется из-за уменьшения доступных мест связывания. Это приводит к уменьшению потенциала концевой пластинки и параличу мышцы.