Структурно-функциональная характеристика клеточной мембраны

Однако  другой итальянский исследователь — физик и физиолог Вольта — оспорил это заключение. По его мнению, причиной сокращения мышц был электрический ток, возникающий в области контакта двух разнородных металлов: меди и железа (гальваническая пара) — с тканями лягушки. С целью проверки своей гипотезы Л. Гальвани поставил второй опыт, в котором нерв нервно-мышечного препарата набрасывался на мышцу стеклянным крючком так, чтобы он касался поврежденного и неповрежденного ее участков. В этом случае мышца также сокращалась. Во ВТОРОМ опыте были получены абсолютные доказательства существования «животного электричества».

Регистрация биоэлектрических явлений впервые  была осуществлена Маттеучи в 1838 г. с  помощью гальванометра, одна из клемм  которого присоединялась к поврежденному  участку мышцы, другая — к неповрежденному. При этом стрелка гальванометра отклонялась (ток покоя). Размыкание цепи гальванометра сопровождалось возвращением стрелки гальванометра в прежнее (нулевое) положение. Маттеучи впервые показал, что наружная поверхность мышцы заряжена электроположительно по отношению к ее внутреннему содержимому и эта разность потенциалов, свойственная состоянию покоя (ток покоя), резко падает при возбуждении (однофазный ток действия). Если оба электрода гальванометра приложить к неповрежденной мышце на некотором расстоянии друг от друга и нанести раздражение на один конец мышцы, то стрелка гальванометра сначала отклоняется в одну сторону, затем — в другую (регистрируется двухфазный ток действия). Маттеучи произвел также опыт, известный под названием опыта вторичного сокращения: при накладывании на сокращающуюся мышцу нерва второго нервно-мышечного препарата его мышца тоже начинает сокращаться. Результат опыта Маттеучи объясняется тем, что возникающий в мышце при ее возбуждении потенциал действия оказывается достаточно сильным, чтобы вызвать возбуждение другого нерва и мышцы. В настоящее время существует много различных вариантов регистрации биоэлектрических явлений, но их можно объединить в две основные группы: по местоположению электродов (внутриклеточное и внеклеточное отведения) и по числу отводящих электродов (монополярное, биполярное, мультиполярное отведения). Электроды могут быть металлическими и стеклянными. В случае монополярного отведения, один электрод активный, второй — индифферентный, его площадь в десятки раз больше активного электрода. При внутриклеточном отведении применяется стеклянный микроэлектрод, который представляет собой микропипетку с диаметром кончика 0,5 — 1 мкм. Микроэлектрод заполняется ЗМ КС1. В широкую часть микроэлектрода вставляется серебряная проволочка, соединяемая с регистрирующим устройством. Индифферентным внеклеточным электродом является хлорированная серебряная пластинка. При внутриклеточном отведении клетка способна функционировать в течение нескольких часов. Микроэлектродный способ регистрации биопотенциалов позволил изучить механизмы создания клеткой электрических зарядов, возникновения возбуждения в живых клетках. Однако еще в конце XIX в., задолго до появления микроэлектродной техники, стало ясно, что «животное электричество» обусловлено процессами, происходящими на клеточной мембране (Герман, Дюбуа-Реймон, Бернштейн). В настоящее время достаточно хорошо изучены механизмы формирования мембранного потенциала покоя и мембранного потенциала действия, т.е. процессы возбуждения клетки.

Сущность  процесса возбуждения заключается  в следующем. Все клетки организма  имеют электрический заряд, обеспечиваемый неодинаковой концентрацией анионов  и катионов внутри и вне клетки. Различная концентрация анионов  и катионов внутри и вне клетки является следствием работы ионных насосов и неодинаковой проницаемости клеточной мембраны для разных ионов. При действии раздражителя на клетку возбудимой ткани изменяется проницаемость ее мембраны (обычно сначала повышается для Na+ и быстро возвращается к норме, затем также, но более медленно изменяется для К+), вследствие чего ионы быстро перемещаются в клетку и из клетки согласно электрохимическому градиенту (совокупность концентрационного и электрического градиентов). Таким образом, эта ответная реакция возбудимой клетки на раздражение, выражающаяся в быстром перемещении ионов в клетку и из клетки согласно электрохимическому градиенту, и есть возбуждение, основой которого является потенциал покоя. 

Потенциал покоя (ПП)

Общая характеристика и непосредственная причина формирования ПП 

Потенциал покоя — это разность между  электрическими потенциалами внутри и  вне клетки в состоянии покоя. Его величина обычно варьирует в  пределах 30 — 90 мВ (в волокнах скелетной  мышцы — 60 — 90 мВ, в нервных клетках — 50 — 80 мВ, в гладких мышцах — 30 — 70 мВ, в сердечной мышце — 80 — 90 мВ). При регистрации ПП луч осциллографа во время прокола мембраны клетки микроэлектродом скачком отклоняется и показывает отрицательный заряд внутри клетки.

ПП играет исключительно важную роль в жизнедеятельности самой клетки и организма в целом. В частности, он составляет основу возбуждения и переработки информации нервной клеткой, обеспечивает регуляцию деятельности внутренних органов и опорно-двигательного аппарата посредством запуска процессов возбуждения и сокращения в мышце. Нарушение процессов воз-оуждения в кардиомиоцитах ведет к остановке сердца.

Внутри- и внеклеточные концентрации ионов (ммоль-л"1) в мышечных клетках  гомойотермных животных

Согласно  мембранно-ионной теории (Бернштейн, Ходжкин, Хаксли, Катц) непосредственной причиной формирования ПП является неодинаковая концентрация анионов и катионов внутри и вне клетки.

В нервных  и мышечных клетках концентрация К+ внутри клетки в 30 —40 раз больше, чем вне клетки; концентрация Na+ вне клетки в 10 — 12 раз больше, нежели в клетке. Ионов СГ вне клетки в 15 — 20 раз больше, чем внутри клетки. В клетке имеется небольшое количество ионов Mg2+. Кальций в свободном состоянии находится в основном вне клетки, он содержится также в эндоплазматичес-ком ретикулуме, в гиалоплазме его очень мало, что обусловливается отчасти активным транспортом Са2+ наружу через клеточную мембрану, отчасти поглощением его эндоплазматическим ретику-лумом (резервуар для Са2+) и другими органеллами, например митохондриями, связыванием Са2+ цитратом, глютаматом.

В клетке находятся также крупномолекулярные анионы, главным образом это отрицательно заряженные белковые молекулы, например глютамат, аспартат, а также органические фосфаты. Различные ионы распределены неравномерно по обе стороны клеточной мембраны, во-первых, вследствие неодинаковой проницаемости клеточной мембраны для различных ионов, во-вторых, в результате работы ионных насосов, транспортирующих ионы в клетку и из клетки вопреки концентрационному и электрическому градиентам. 

Потенциал действия (ПД)

Общая характеристика, механизм возникновения ПД 

Потенциал действия — это электрофизиологический процесс, выражающийся в быстром  колебании мембранного потенциала покоя вследствие перемещения ионов  в клетку и из клетки и способный распространяться без декремента (без затухания). ПД обеспечивает передачу сигналов между нервными клетками, между нервными центрами и рабочими органами, в мышцах ПД обеспечивает процесс электромеханического сопряжения. Характеристика ПД. Величина ПД колеблется в пределах 80 — 130 мВ, длительность пика ПД нервного волокна 0,5 — 1 мс, волокна скелетной мышцы — до 10 мс с уютом замедления деполяризации в ее конце. Длительность ПД сердечной мышцы 300 — 400 мс. Амплитуда ПД не зависит от силы раздражения, она всегда максимальна для данной клетки в конкретных условиях: ПД подчиняется закону «все или ничего», но не подчиняется закону силовых отношений, т. е. закону силы. При малом раздражении клетки ПД либо совсем не возникает, либо достигает максимальной величины, если раздражение является пороговым или сверхпороговым. Следует отметить, что слабое (подпороговое) раздражение может вызвать локальный потенциал. Он подчиняется закону силы: с увеличением силы стимула величина его также возрастает. В составе ПД различают три фазы: 1 — деполяризация, т.е. исчезновение заряда клетки (уменьшение мембранного потенциала до нуля); 2 — инверсия, т.е. изменение заряда клетки на обратный, когда внутренняя сторона мембраны клетки заряжается положительно, а внешняя — отрицательно (от лат. inversio— переворачивание); 3 — реполяризация, т.е. восстановление исходного заряда клетки, когда внутри клетки заряд снова становится отрицательным, а снаружи — положительным.

Механизм  возникновения ПД. Если действие раздражителя на клеточную мембрану приводит к началу развития ПД, далее сам все время будет возникать. Но после исчезновения градиентов концентраций ионов (устранения потенциальной энергии) клетка генерировать ПД не будет. Рассмотрим фазы ПД.

Существует  много различных названий фаз ПД (единого мнения не сложилось): 1) местное возбуждение — пик ПД — следовые потенциалы; 2) фаза нарастания — фаза спада — следовые потенциалы; 3) деполяризация — овершут (перехлест, превышение, перелет), причем эта фаза, в свою очередь, делится на восходящую (инверсия, от лат. inversio — переворачивание) и нисходящую (реверсия, от лат. reversio — возврат) реполяризацию. Но и здесь очевидны некоторые противоречия. Например, деполяризацией называют всю восходящую часть ПД, однако она включает не только процесс деполяризации, но и реполяризации с обратным знаком (овершут). Имеются и другие названия. Наиболее корректны названия фаз ПД, в которых заложена общая идея, например изменение заряда клетки: 1) фаза деполяризации — процесс исчезновения заряда клетки до нуля; 2) фаза инверсии — изменение заряда клетки на противоположный, т.е. весь период ПД, когда внутри клетки заряд положительный, а снаружи отрицательный; 3) фаза реполяризации — восстановление заряда клетки до исходной величины (возврат к потенциалу покоя).

Фаза  деполяризации. При действии деполяризующего раздражителя на клетку, например, электрического тока, начальная частичная деполяризация клеточной мембраны происходит без изменения ее проницаемости для ионов. Когда деполяризация достигает примерно 50% пороговой величины (50% порогового потенциала), возрастает проницаемость мембраны клетки для Na+, причем в первый момент сравнительно медленно. Естественно, что скорость входа Na+ в клетку при этом невелика. В этот период, как и во время всей первой фазы (деполяризации), движущей силой, обеспечивающей вход Na+ в клетку, являются концентрационный и электрический градиенты. Напомним, что клетка внутри заряжена отрицательно (разноименные заряды притягиваются друг к другу), а концентрация Na+ вне клетки в 10 — 12 раз больше, чем внутри клетки. Условием, обеспечивающим вход Na+ в клетку, является увеличение проницаемости клеточной мембраны, которая определяется состоянием воротного механизма Na-каналов (в некоторых клетках, в частности в кардиомио-цитах, в волокнах гладкой мышцы, важную роль в возникновении ПД играют управляемые каналы для Са2+). Длительность пребывания электроуправляемого канала в открытом состоянии зависит от величины мембранного потенциала. Суммарный ток ионов в любой момент определяется числом открытых каналов клеточной мембраны. Часть ионного канала, обращенная во внеклеточное пространство, отличается от части канала, обращенной внутрь клеточной среды (П. Г. Костюк). Воротный механизм Na-каналов расположен на внешней и внутренней сторонах клеточной мемб-паны, воротный механизм К-каналов — на внутренней (К+ движется из клетки наружу). В каналах для Na+ имеются активационные m-ворота, которые расположены с внешней стороны клеточной мембраны (Na+ движется внутрь клетки во время ее возбуждения), и инактивационные /г-ворота, расположенные с внутренней стороны клеточной мембраны. В условиях покоя активацион-ные w-ворота закрыты, инактивационные /г-ворота преимущественно (около 80%) открыты; закрыты также калиевые активационные ворота, инактиваци-онных ворот для К+ нет.

Некоторые авторы w-ворота называют быстрыми, /г-ворота медленными, поскольку они в процессе возбуждения клетки реагируют позже, нежели m-ворота. Однако более поздняя реакция /г-ворот связана с изменением заряда клетки, как и m-ворот, которые открываются в процессе деполяризации клеточной мембраны. Закрываются /г-ворота в фазу инверсии, когда заряд внутри клетки становится положительным, что и является причиной их закрытия. При этом нарастание пика ПД прекращается. Поэтому m-ворота лучше назвать ранними, а А-ворота — поздними.

Когда деполяризация клетки достигает  критической величины (Екр, критический  уровень деполяризации — КУД), которая обычно составляет -50 мВ (возможны и другие величины), проницаемость  мембраны для Na+ резко возрастает: открывается большое число потенциалзависимых /я-ворот Na-каналов и Na+ лавиной устремляется в клетку. Через один открытый Na-канал за 1 мс проходит до 6000 ионов. В результате интенсивного тока Na+ внутрь клетки процесс деполяризации проходит очень быстро. Развивающаяся деполяризация клеточной мембраны вызывает дополнительное увеличение ее проницаемости и, естественно, проводимости Na+: открываются все новые и новые активационные w-ворота Na-каналов, что придает току Na+ в клетку характер регенеративного процесса. В итоге ПП исчезает, становится равным нулю. Фаза деполяризации на этом заканчивается.

Фаза  инверсии. После исчезновения ПП вход Na+ в клетку продолжается (т-ворота Na-каналов еще открыты), поэтому число положительных ионов в клетке превосходит число отрицательных ионов, заряд внутри клетки становится положительным, снаружи — отрицательным. Процесс перезарядки мембраны представляет собой вторую фазу потенциала действия — фазу инверсии. Теперь электрический градиент препятствует входу Na+ внутрь клетки (положительные заряды отталкиваются ДРУГ от друга), Na-проводимость снижается. Тем не менее некото-Р°е время (доли миллисекунды) Na+ продолжает входить в клет-КУ. о чем свидетельствует продолжающееся нарастание ПД. Это означает, что концентрационный градиент, обеспечивающий движение Na+ в клетку, сильнее электрического, препятствующего входу Na+ в клетку. Во время деполяризации мембраны увеличивается проницаемость ее и для Са2+, который также идет в клетку, но в нервных волокнах, нейронах и клетках скелетной мускулатуры роль Са2+ в развитии ПД мала. В клетках гладкой мышцы и миокарда его роль существенна. Таким образом, вся восходящая часть пика ПД в большинстве случаев обеспечивается в основном входом Na+ в клетку.

Примерно  через 0,5 — 2 мс и более после начала деполяризации (это время зависит от вида клетки) рост ПД прекращается в результате закрытия натриевых инактивационных г-ворот и открытия ворот К-каналов, т.е. вследствие увеличения проницаемости для К+ и резкого возрастания выхода его из клетки. Препятствует также росту пика ПД снижение электрического градиента Na+ (клетка внутри в этот момент заряжена положительно), а также выход К+ из клетки по каналам утечки. Поскольку К+ находится преимущественно внутри клетки, он согласно концентрационному градиенту быстро выходит из нее, вследствие чего уменьшается число положительно заряженных ионов в клетке. Заряд клетки снова начинает уменьшаться. Во время нисходящей составляющей фазы инверсии выходу К+ из клетки способствует также и электрический градиент. К+ выталкивается положительным зарядом из клетки и притягивается отрицательным зарядом снаружи клетки. Так продолжается до полного исчезновения положительного заряда внутри клетки, когда начинается следующая фаза ПД — фаза реполяризации. Калий выходит из клетки не только по управляемым каналам, ворота которых открыты, но и по неуправляемым, т.е. каналам утечки, что несколько замедляло ход восходящей части ПД и ускоряло ход нисходящей составляющей ПД.