Механизмы генерации потенциала действия
Кроме постоянно существующего в клетке «тока повреждения» — потенциала покоя Дюбуа-Реймоном были обнаружены при электрическом раздражении нерва быстрые колебания «тока повреждения», направленные в сторону его уменьшения. С помощью высокочувствительного гальванометра Бернштейну удалось приблизительно определить, как протекают во времени быстрые колебания потенциала, получившие в дальнейшем в отличие от потенциала покоя название потенциала действия. Длительность потенциала действия составляла тысячные доли секунды (мс). Революционное значение имело использование в физиологическом эксперименте в начале 30-х годов XX в. Эрлангером и Гассером безынерционного регистрирующего прибора — электронного катодного осциллографа, включающего в себя электронный усилитель. Измерения с помощью катодного осциллографа показали, что в нервных волокнах возникают потенциалы действия, длительность которых у теплокровных животных составляет 0,4...2 мс. Определенные методические трудности возникли с измерением истинной амплитуды потенциала действия. Напомним, что согласно Бернштейну клеточная мембрана в состоянии возбуждения теряет избирательную проницаемость к какому-либо иону и становится в равной мере проницаемой для всех ионов, при этом потенциал покоя снижается до нуля. В начальных экспериментах из-за несовершенства методов работы с одиночными нервными волокнами и клетками измерения амплитуды потенциалов действия даже с использованием электронных усилителей и осциллографа давали не- Рис. 2.9. Изменение мембранного потенциала нервной клетки при возбуждении: Л — схема установки для электрического раздражения и регистрации мембранного потенциала: /, 2 — раздражающие электроды; 3, 4— регистрирующие электроды; стрелками показано направление раздражающего электрического тока, деполяризующего (д) и гиперполяризующего (г) нервную мембрану; Б — изменение мембранного потенциала нервной клетки: 1 — локальный ответ; 2—деполяризация мембраны (исчезновение заряда мембраны с последующей ее перезарядкой); 3— реполяризация мембраны; 4 — следовая гиперполяризация; 5—критический уровень деполяризации (порог возникновения потенциала действия); внизу — отметка стимулирующего тока; отклонение вверх — деполяризующий ток, отклонение вниз — гиперпо-
ляризующий ток однозначные результаты, причем во всех случаях величина потенциала действия не превышала нескольких милливольт, что согласовывалось с положением Бернштейна. Усовершенствование методов исследования, и в частности применение внутриклеточной регистрации потенциалов с помощью микроэлектродов, показало, что амплитуда потенциала действия больше, чем потенциала покоя. Рисунок 2.9 иллюстрирует изменение мембранного потенциала нервной клетки при возбуждении. Для измерения мембранного потенциала применили систему с микроэлектродом, введенным внутрь клетки, соединенным с электронным усилителем и катодным осциллографом. Клетку возбуждали кратковременными импульсами электрического тока различной полярности, подводимых с помощью микроэлектрода. В покое мембранный потенциал имеет отрицательный знак внутри клетки. Когда через мембрану 4 — 3389 клетки пропускают от внешнего источника кратковременный электрический ток, направленный внутрь клетки, мембранный потенциал увеличивается в соответствии с приложенной силой тока за счет накопления дополнительных зарядов на поверхности мембраны. На рисунке видно отклонение исходного уровня потенциала мембраны вниз. Если отрицательный потенциал на мембране увеличивается, то мембрана гиперполяризуется. После выключения тока потенциал возвращается к исходному уровню — мембрана реполяризуется. При пропускании электрического тока, направленного из клетки, мембранный потенциал снижается вследствие уменьшения зарядов на поверхности мембраны — мембрана деполяризуется. Однако в отличие от гиперполяризации при деполяризации мембраны, начиная с некоторых значений, мембранный потенциал после выключения деполяризующего тока восстанавливается не сразу, а продолжает некоторое время увеличиваться. Время спада замедляется, и на нисходящей части появляется своеобразный «горб» (см. рис. 2.9, Б). Данная реакция клетки названа локальным ответом. При дальнейшем увеличении силы тока локальный ответ становится более выраженным и, наконец, при достижении определенной силы тока, называемой пороговой, мембранный потенциал начинает стремительно падать до нулевого значения, а затем увеличивается в сторону положительного значения, т. е. внутренняя часть клеточной мембраны становится электроположительной. Достигнув определенной амплитуды, мембранный потенциал начинает снижаться несколько медленнее, чем в своей восходящей части. Перейдя нулевое значение, он возвращается к исходному, но не остается на этом уровне, а продолжает еще некоторое время падать до нового значения, более электронегативного, чем первоначальный потенциал покоя. Затем сравнительно медленно возвращается к исходному уровню (см. рис. 2.9, Б).
Длительность изменения мембранного потенциала — потенциала действия в части, превышающей исходную величину потенциала покоя, составляет у различных нервных клеток позвоночных животных 0,5...2мс. Длительность же части, находящейся ниже первоначального уровня потенциала покоя, может быть в 2...3 раза больше длительности восходящей части потенциала действия. Следует отметить, что при вариациях раздражающего тока, имеющего амплитуду выше порогового значения, величина потенциала действия во всех случаях имела одинаковую амплитуду. Таким образом, при достижении порогового значения дальнейшая деполяризация мембраны, отвечающая за фазу подъема потенциала действия, становится лавинообразно нарастающей, самоусиливающейся (регенеративной) и не зависит уже от силы раздражающего электрического стимула, т. е. генерация потенциала действия происходит по принципу «все или ничего». Как увидим в дальнейшем, это свойство имеет чрезвычайно важное значение
для эффективного и надежного распространения в нервной системе возбуждения на большие расстояния. Рассмотрим механизмы генерации потенциала действия. В предыдущем разделе мы разбирали природу мембранного потенциала в покоящейся клетке и выяснили, что каждый ион соответственно концентрации и проницаемости через мембрану вносит определенный вклад в величину мембранного потенциала — потенциала покоя. При высокой проницаемости мембраны для определенных ионов они могут стать главными по-тенциалобразующими ионами. В большинстве случаев главными потенциалобразующими ионами в состоянии покоя являются ионы калия с равновесным потенциалом — 100 мВ. Вследствие того что для ионов натрия соотношение вне/внутриклеточной концентрации является противоположным таковому для ионов калия, равновесный потенциал для них будет со знаком «плюс» и составит 60 мВ. Однако из-за низкой проницаемости мембраны к ионам натрия они смещают мембранный потенциал в положительную сторону (деполяризуют) в пределах 10 мВ. При возбуждении мембранный потенциал на короткое время становится положительным, т. е. имеет знак равновесного потенциала для ионов натрия (см. рис. 2.9). Такая ситуация может быть при условии, что проницаемость мембраны увеличится для ионов натрия и будет намного превышать в это время проницаемость для ионов калия. Действительно, проведенные в конце 30-х годов XX в. К. Коу-лом и Г. Кертисом опыты по измерению проницаемости, а точнее — проводимости нервной мембраны во время генерации потенциала действия четко продемонстрировали ее значительное увеличение. Стоит указать, что при проведении электрофизиологических опытов чаще всего оперируют термином «ионная проводимость». Несмотря на то что «ионная проводимость» и «ионная проницаемость» не одно и то же, эти свойства мембраны тесно связаны между собой и имеют одинаковую размерность — см/с. Проводимость мембраны служит мерой ее ионной проницаемости. Чем выше проводимость, тем больше ионов может пересечь мембрану за единицу времени по ионным каналам под действием электрической силы — разности потенциалов. В пользу генерации потенциалов действия за счет ионов натрия свидетельствовали также и результаты экспериментов с вариацией во внешней среде ионов натрия. При частичной замене ионов натрия на другие одновалентные ионы, например ионы холина, амплитуда потенциалов действия уменьшалась, а при полной замене потенциалы действия не генерировались в ответ на электрическое раздражение.
Существенный вклад в развитие «натриевой гипотезы» генерации потенциалов действия внесли классические работы А. Ходж-кина, А. Хаксли и Б. Катца. Ими было показано, что проводи-
■»* мость мембраны для ионов натрия зависит от величины мембранного потенциала. Сделать это удалось с введением в начале 50-х годов XX в. в практику физиологического эксперимента методики, позволяющей с высокой точностью фиксировать потенциал на мембране на различных значениях. Эта методика была сначала использована для измерения ионных токов на так называемых «гигантских» нервных волокнах головоногих моллюсков — кальмарах и каракатицах, которые имеют действительно чрезвычайно большой диаметр — 1,5...2 мм, тогда как максимальный диаметр отдельных нервных волокон у позвоночных животных 0,01...0,015 мм. Затем различные модификации этой методики были успешно применены на отдельных нервных клетках и волокнах позвоночных животных. При обычной методике электрического раздражения и регистрации потенциалов действия не удается проследить динамику ионного тока через мембрану в зависимости от величины мембранного потенциала, поскольку после превышения порогового значения процесс изменения мембранного потенциала становится взрывоподобным, неуправляемым (см. рис. 2.9). Согласно новой методике мембранный потенциал фиксируется с помощью электронной системы обратной связи (усилителя обратной связи). Его можно изменять на строго определенную величину, но при этом возникновение регенеративного взрывоподобного изменения не происходит. Согласно закону Ома напряжение на мембране Ем, ее проводимость G и сила ионного тока У, проходящего через мембрану, связаны соотношением EM = I/G. (19) Таким образом, если напряжение на мембране поддерживается постоянным, то изменение тока будет однозначно связано с изменением проводимости мембраны, которое, в свою очередь, обусловлено активированием (открыванием) или инактивированием (закрыванием) ионных каналов. При помощи усилителя обратной связи мембранный потенциал сравнивается с потенциалом, который мы задаем на мембране. Любое отклонение мембранного потенциала от заданного усиливается усилителем обратной связи, и на его выходе возникает управляющий ток. Этот ток течет через электроды, находящиеся по обе стороны мембраны, в таком направлении, что мембранный потенциал вновь становится равным заданному. Ток от усилителя обратной связи можно легко измерить, причем он будет равен по величине току, проходящему через каналы при соответствующем напряжении на мембране.
Каким же образом будет изменяться ток через мембрану нервного волокна при различных фиксированных значениях потенциала? Будем изменять мембранный потенциал в той же последовательности, как это делалось в опытах без фиксации напряжения
Рис. 2.10. Ионный ток через нервную мембрану при различных фиксированных значениях мембранного потенциала
Исходное значение мембранного потенциала 60 мВ. Мембранный потенциал смещается и поддерживается в течение 2мс с помощью усилителя обратной связи на установленном уровне — показано пунктирной горизонтальной линией. Ионный ток в соответствии со значением мембранного потенциала имеет определенную форму. Для каждого значения мембранного потенциала кривая ионного тока — непрерывная линия, наложенная на прерывистую прямую. Стрелками вниз показано направление входящего ионного тока, стрелкой вверх — выходящего ионного тока
(см. рис. 2.9). Начнем с гиперполяризации мембраны (стимулы этой полярности не вызывают генерацию потенциала действия). При смещении мембранного потенциала в отрицательную сторону через мембрану начинает течь небольшой ток, направленный внутрь и сохраняющийся в течение всего времени гиперполяризации (рис. 2.10). Такой же ток течет через мембрану и при ее деполяризации, если величина деполяризации не превышает пороговой величины для возникновения потенциала действия. При превышении этой величины ионный ток через мембрану имеет большую величину и более сложное изменение во времени. Вначале кривая отклоняется вниз, что соответствует возникновению входящего внутрь клетки тока. Достигнув максимума при данном значении напряжения на мембране, ток начинает уменьшаться до нуля. Длительность этой части тока составляет 1...2мс. При достижении нулевого значения ток начинает увеличиваться в противоположную сторону и затем выходит на плато. Дальнейшее увеличение фиксированного деполяризующего напряжения на мембране сопровождается сначала увеличением максимальной величины входящего ионного тока. Затем его амплитуда начинает уменьшаться, а при напряжении на мембране около +60 мВ входящий ток сначала становится равным нулю и далее меняет свое направление на выходящий. Были проведены опыты, аналогичные экспериментам по влиянию замены ионов натрия на ионы холина на амплитуду потенциалов действия. Оказалось, что при замене в окружающей среде ионов натрия на ионы холина входящий ток исчезал. При этом выходящий ток оставался неизменным. Если нервное волокно вновь оказывалось в среде с нормальной концентрацией ионов
натрия, то входящий ионный ток восстанавливался. Это свидетельствовало в пользу того, что входящий ток обусловлен входом ионов натрия через мембрану в клетку. В пользу данного положения указывает также и изменение направления входящего тока при значениях мембранного потенциала, превышающих равновесный потенциал для ионов натрия. Как уже говорилось, отклонение равновесного потенциала для ионов натрия, вычисленного по уравнению Нернста, £Na = + 60 мВ от мембранного потенциала в покое VM = — 90 мВ составляет ENa - VM = 60 - (— 90) = 150 мВ. Согласно закону Ома /Na= GuaiEua- Ю- Следовательно, при смещении мембранного потенциала в сторону равновесного натриевого потенциала разность между равновесным натриевым потенциалом и мембранным потенциалом будет уменьшаться и согласно формуле будет уменьшаться входящий натриевый ток (/ыа)-При значениях Е^а = VM ток будет равен нулю, а при Vu > Е^я разность £n3 — VM изменит знак, соответственно изменит знак (т. е. направление) и натриевый ток, он станет выходящим. Ходжкиным и Хаксли была также исследована и природа выходящего (задержанного) ионного тока. В опытах с радиоактивными ионами калия было показано, что задержанный ток переносится ионами калия. В дальнейшем было обнаружено, что задержка с появлением выходящего калиевого тока при деполяризации мембраны связана с относительно медленным открыванием калиевых каналов; натриевые каналы реагируют на деполяризацию значительно быстрее. ИОННЫЕ КАНАЛЫ Логическим продолжением изучения ионных механизмов возбуждения нервных и мышечных клеток явилась разработка методики для регистрации токов через одиночные каналы. В 1980 г. немецкие ученые Ф. Сигворс и Э. Неер с помощью метода локальной фиксации смогли зарегистрировать ток через одиночный натриевый канал, открытый (активированный) с помощью деполяризации мембраны. Для этого они использовали стеклянную микропипетку (внешний диаметр кончика 2 мкм, внутренний около 0,5 мкм), в которую втягивали с помощью небольшого вакуума участок мембраны нервной клетки (рис. 2.11, А, Б). Клеточная мембрана плотно контактировала с кончиком пипетки, что препятствовало утечке тока. На ограниченном микропипеткой пространстве клеточной мембраны могли оказаться 1...2 отдельных канала. Ток, протекающий через открытый канал, подавался на вход усилителя, с помощью которого напряжение на данном участке мембраны фиксировалось по тому же принципу, как и в методике фиксации напряжения на всем участке мембраны нервного волокна или клетки. Оказалось,что токи через одиноч-
Мс Рис. 2.11. Ионные токи одиночных ионных каналов: А - схематическое изображение экспериментальной установки: 1- нервная клетка; 2- микропипетка; 3 - усилитель; стрелкой показано подведение небольшого вакуума для присасывания кончика микропипетки к участку мембраны нервной клетки; Б - в увеличенном масштабе показано прикрепление с помощью небольшого вакуума кончика микропипетки к участку мембраны нервной клетки: 2- кончик микропипетки; 4-высокоомный контакт между стенками пипетки и мембраной; 5- ионные каналы; 6- клеточная мембрана; стрелкой показано направление тока через открытый канал; В - электрические ответы одиночных каналов (а): вверху - ступенчатообразный деполяризационный сдвиг мембранного потенциала; Г. вверху-суммарный ионный ток из 144 ответов одиночных ионных каналов; внизу — калибровка времени 60 мс ные каналы подчиняются закону «все или ничего», имеют ступен-чатообразную форму с быстрым фронтом нарастания и спада, также одинаковы по амплитуде для разных каналов (рис. 2.11, В). Интересно отметить, что длительность пребывания каналов в откры-
том состоянии варьирует случайным образом и в довольно широких пределах. Среднее время нахождения канала в открытом состоянии составляет менее 1 мс и зависит от величины мембранного потенциала. Вместе с тем проводимость каналов практически не зависит от напряжения на мембране и имеет чрезвычайно низкое значение (н10 пкСм, т. е. 10 • 10 12 См). Поскольку проводимость — величина, обратная сопротивлению, то соответственно сопротивление одного ионного канала будет иметь огромную величину— 10й Ом. Расчеты показывают, что в начале развития потенциала действия открытые натриевые каналы пропускают примерно 6000 ионов натрия за 1 мс. Общий натриевый ток, который отвечает за восходящую фазу потенциала действия, равен сумме тысяч очень слабых импульсных токов, обусловленных открытием отдельных натриевых каналов. На рис. 2.11, В продемонстрированы ответы одиночного натриевого канала при деполяризации мембраны мышечной клетки. Срабатывание каналов проявляется в виде «всплесков» тока различной длительности и разным временем открывания от начала деполяризации. На рисунке 2.11, Г представлен суммарный ток, полученный в результате сложения 144 ответов одного и того же участка мембраны. Динамика этого тока отражает распределение во времени открывания одиночных каналов на деполяризацию. Хорошо видно, что она сходна с временным ходом общего, макроскопического натриевого тока через мембрану в режиме фиксации напряжения при деполяризации мембраны (см. рис.2.10). Таким образом, функционирование ионных каналов, обеспечивающих генерацию потенциалов действия, зависит от величины напряжения на мембране; данный тип каналов получил название потенциалзависимых или потенциалуправляемых. Потенциалза-висимый канал представляет собой гликопротеид, находящийся в липидном бислое мембраны (рис. 2.12). Канал структурно связан с другими мембранными белками и элементами цитоскелета клетки. Макромолекула натриевого канала включает 1800...4000 аминокислот, организованных в одну или несколько полипептидных цепей с сотнями ковалентно связанных полисахаридных остатков на наружной поверхности. Гидрофильные аминокислоты выстилают стенки поры, а гидрофобные контактируют с липидами би-слоя. В канале выделяют внутреннее и наружное устья, пору, которая с помощью специального механизма может открываться и закрываться, и селективный фильтр, являющийся самой узкой частью поры для прохода ионов. Механизм, ответственный за открывание канала, получил название воротного и представляет собой некую заряженную структуру. Вероятно, в покое потен-циалзависимый канал (например, натриевый канал) механически закрыт этой заряженной структурой. При деполяризации мембраны размеры или расположение этой структуры изменяются так, что Рис. 2.12. Схематическое изображе- / ние потенциалактивируемого ионного канала: А — наружная среда; Б — внутриклеточная среда; 1 — липидный бислой; 2,3 — воротный механизм (2 — сенсор напряжения, 3 — «ворота»); 4 — белковая макромолекула; 5 — якорный белок; б—углеводная цепочка; 7—селективный фильтр; 8— пора для прохода ионов канал открывается. В пользу того, что в канале происходят подобного вида перестройки, указывает регист- g рация так называемых «воротных токов», возникающих при движении участков молекул, имеющих заряженные группы. Изменения потенциала на мебране на сотые доли вольта могут существенно повлиять на расположение участков молекул, имеющих заряженные группы. В частности, деполяризация на 40...50 мВ обычно приводит к открыванию большей части каналов в мембране. Толщина бислоя мембраны, в котором находятся каналы, составляет около 10 нм (Ю-8 см). Значит, при деполяризации на 50 мВ через этот бислой возникает изменение напряжения, равное 5 • 10~2 В на Ю-6 см, или 50000 В/см. Несомненно, что заряженные группы белков — каналов будут реагировать на такие изменения напряжения и отвечать на них пространственными перестройками каких-то участков белковых молекул. Существенный вклад в изучение природы токов через возбудимые мембраны внесли фармакологические исследования. Были найдены химические вещества (химические инструменты), которые избирательно (селективно) могли блокировать натриевый и калиевый ток — натриевые и калиевые каналы. Так, тетродоток-син — вещество, выделенное из внутренних органов рыбы иглобрюха (рыбы, обитающей у берегов Японии), способен входить в натриевые каналы и блокировать их. Опыты, проведенные на раз-ничных видах нервных клеток, показали, что тетродотоксин пол-i юстью подавляет потенциалзависимую натриевую проводимость, возникшую в норме при деполяризации; в то же время задержанный калиевый ток оставался неизменным. Кинетические особенности блокирования натриевых каналов свидетельствуют о том, что каждая молекула тетродотоксина связывается с одним кана-юм. Для калиевых каналов также был найден селективный бло-катор — им оказался тетраэтиламмоний. Действие ионов тетра- этиламмония при генерации потенциалов действия проявлялось в замедлении спада нисходящей части потенциала действия и увеличении его длительности. На функционирование натриевых каналов тетраэтиламмоний не оказывал влияния. Следует отметить, что с тех пор как Ходжкин и Хаксли выдвинули свою ионную гипотезу возбуждения, согласно которой в аксоне кальмара существуют каналы, избирательно пропускающие ионы натрия и калия, в многочисленных опытах на нервных клетках беспозвоночных и позвоночных животных были найдены другие типы электровозбудимых каналов для натриевых и калиевых ионов, а также для ионов кальция и хлора. Кроме того, была обнаружена большая группа каналов, работа которых управляется различными химическими веществами. Экспериментальные данные о прохождении ионных токов через электровозбудимую мембрану позволяют проследить последовательность возникновения потенциала действия. Первым этапом является деполяризация мембраны (снижение потенциала покоя) с помощью раздражителя. По мере того как мембранный потенциал приближается к пороговому уровню, начинают открываться натриевые каналы и возникает входящий ток, переносимый ионами натрия. В том случае, если мембранный потенциал ниже порогового, выход ионов калия через калиевые каналы, которые в большом количестве открыты в состоянии покоя, компенсирует вход положительных зарядов, обусловленных натриевым током, и потенциалы действия не возникают. Пороговое же значение мембранного потенциала заключается в том, что вход ионов натрия начинает преобладать над выходом ионов калия. Достигнув порогового значения, входящий ток вызывает еще большую деполяризацию мембраны. Эта деполяризация приобретает самоускоряющийся регенеративный характер: вход в клетку положительных зарядов приводит к сдвигу внутриклеточного потенциала в положительную сторону, при этом открываются новые натриевые каналы, вход ионов натрия усиливается и внутренняя поверхность клеточной мембраны становится еще более положительной. Эти процессы обусловливают фазу нарастания потенциала действия. По мере того как мембранный потенциал приближается к равновесному потенциалу для ионов натрия, ЭДС, действующая на ионы натрия и равная разности между значением мембранного потенциала и равновесным натриевым потенциалом, все более снижается. Вследствие этого скорость изменения потенциала действия начинает снижаться, и так до тех пор, пока амплитуда потенциала действия не достигнет максимального значения, равного равновесному потенциалу для ионов натрия. Максимальное значение потенциала действия примерно на 120 мВ положительнее, чем потенциала покоя. Следовательно, в результате самоускоряющейся деполяризации мембраны первичная пороговая деполяри- зация (составляющая около 20 мВ), названная пассивной деполяризацией, усиливается в 5...6 раз. При достижении максимального значения потенциала действия начинается закрывание (инактивация) натриевых каналов. Казалось бы, этого процесса было достаточно для постепенного уменьшения потенциала действия и восстановления исходного мембранного потенциала. Однако процесс ускоряется благодаря дополнительному открыванию потенциал-зависимых калиевых каналов. Увеличение числа открытых калиевых каналов способствует выходу ионов калия из клетки и соответственно удалению положительных зарядов. Происходит более быстрое возвращение (реполяризация) мембранного потенциала к исходному уровню. Повышенная проводимость для ионов калия сохраняется еще некоторое время (мс), поэтому мембранный потенциал становится в этот период более электроотрицательным, чем в исходном состоянии (следовая гиперполяризация). После окончания потенциала действия Na+ — K+ насос восстанавливает исходную внутриклеточную концентрацию ионов калия и натрия.
Воспользуйтесь поиском по сайту: ©2015 - 2024 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...
|