Іонні механізми потенціалу дії
План
1. Іонні механізми потенціалу дії
1.1 Вимірювання мембранних струмів
1.2 Натрієві та калієві струми
1. Іонні механізми потенціалу дії
1.1 Вимірювання мембранних струмів
Кількісний опис механізмів, що беруть участь в генерації потенціалу дії, стало можливим завдяки методу вимірювання мембранних струмів в умові фіксації потенціалу. Цей метод дозволяє визначити, який внесок вносять іони того чи іншого типу в мембранний струм, а також обчислити величину і часовий хід змін відповідних іонних провідностей. Активація натрієвої провідності носить короткочасний характер, за нею йде інактивація. Збільшення калієвої провідності продовжується до тих пір, поки не закінчиться деполяризація. Саме залежність натрієвої і калієвої провідностей від мембранного потенціалу і їх почергове активація якісно визначають як амплітуду, так і тимчасової хід потенціалу дії, так само як і інші мембранні характеристики, включаючи поріг і рефрактерний період.
Дослідження провідностей одиночних калієвих і натрієвих каналів під час потенціалу дії проводилися в умовах фіксації потенціалу ділянки мембрани. Спостережувані при цьому принципи роботи окремих каналів відповідають результатам, отриманим раніше в експериментах з фіксацією потенціалу цілої клітини: при деполяризації ймовірність відкриття натрієвих і калієвих каналів зростає. Зростання імовірності відбувається з тим же тимчасовим ходом, що і відповідні струми в умовах фіксації потенціалу. Так, натрієві канали найбільш часто відкриваються на початку деполярізующего імпульсу і ймовірність таких відкриттів падає в міру розвитку натрієвої інактивації.
У генерації потенціалу дії можуть брати участь і інші катіонні канали. У деяких клітинах фаза зростання потенціалу дії визначається активацією кальцієвих каналів, а реполяризації відбувається завдяки активації різних типів калієвих каналів.
У 1939 році Ходжкін і Хакслі показали, що на піку потенціалу дії відбувається короткочасна зміна знака («овершут») потенціалу на внутрішній стороні мембрани в область позитивних значень. Це спостереження підтвердило участь натрію в потенціалі дії, оскільки вхід натрію в клітину відбувається і при позитивних значеннях мембранного потенціалу аж до натрієвого рівноважного потенціалу E Na. Через десятиліття Ходжкін і Катц добилися зменшення явища овершут шляхом зниження позаклітинної концентрації натрію, а отже, і Е Na. Вони прийшли до висновку, що потенціал дії є результат значного, хоча й короткочасного, збільшення натрієвої провідності мембрани. Сьогодні відомо, що це збільшення відбувається за рахунок відкриття величезного числа потенціалзалежні натрієвих каналів.
Чим пояснюється фаза спаду потенціалу дії? Можна припустити, що спад відбувається просто в результаті закриття натрієвих каналів. Це, дійсно, один з факторів. Однак, якщо б це був єдиний механізм, то повернення мембранного потенціалу до рівня потенціалу спокою у більшості клітин відбувався б набагато повільніше, ніж насправді. Причина цього в тому, що загальна провідність мембрани в спокої досить мала, і вихід накопичених в результаті потенціалу дії позитивних іонів з клітки зайняв би кілька мілісекунд, а то й десятки мілісекунд. У дійсності, повернення до рівня потенціалу спокою відбувається набагато швидше завдяки значному збільшенню іншої мембранної провідності, а саме, за рахунок відкриття калієвих каналів. З тією ж швидкістю, з якою мембранний потенціал деполяризувати в напрямку E Na, він гіперполярізуется на фазі спаду потенціалу дії в напрямку Е K. Збільшення калієвої провідності може тривати до декількох мілісекунд, що призводить у багатьох клітинах не тільки до реполяризації, але і до гіперполяризації мембрани до значень більше негативних, ніж потенціал спокою.
Обчислення співвідношення між мембранним потенціалом і трансмембранних концентрацій. При потенціалі -67 мВ на внутрішній поверхні мембрани знаходиться приблизно 4 · 11 жовтня негативних зарядів на см 2. На піку потенціалу дії (+40 мВ) замість цього негативного заряду всередині клітини накопичується близько 2,4 · 11 жовтня позитивних зарядів, що відбувається в результаті входу в клітку 6,4 · жовтня 1911 іонів натрію на см 2. Це відповідає приблизно 10 -12 моль / см 2. Експериментальні вимірювання входу радіоактивного натрію і виходу радіоактивного калію дали значення між 3 · 10 -12 і 4 · 10 -12 моль / см 2. Різниця між теоретично передбаченим і експериментальним значеннями пояснюються головним чином тим, що при розрахунках не бралося до уваги те, що вхід натрію і вихід калію частково перекриваються в часі. Таким чином, кількість вхідного натрію перевищує значення, необхідне для деполяризації мембрани до пікового рівня потенціалу дії, оскільки вихід калію починається до моменту досягнення піку.
Який вплив входу натрію на його внутрішньоклітинну концентрацію? Сегмент аксона кальмара завдовжки 1 см і діаметром 1 мм має площу поверхні близько 0,31 см 2, тому при швидкості входу натрію 3,5 · 10 -12 призведе до накопичення приблизно 10 -12 M натрію. Обсяг цього відрізка аксона складає 7,85 · 10 -12 л, в ньому міститься (при щільності 50 ммоль / л) 4 · 10 -7 M натрію, тому зміна концентрації натрію в результаті потенціалу дії дуже мало і становить 0,0000025. Вихід калію виробляє порівнянний ефект і змінює внутрішньоклітинну концентрацію калію в 0,000003 разів.
Потенціал дії в більш тонких відростках нейрона може призвести до більш значних змін внутрішньоклітинних концентрацій натрію і калію, ніж у гігантському аксоні кальмара. Так, нервове закінчення діаметром 1 мкм і довжиною 100 мкм має площу поверхні 3 · 10 -6 см 2 і об'єм 8 · 10 -14 л. Під час потенціалу дії вхід натрію 3 · 10 -6 моль / см 2 робить збільшення кількості натрію всередині термінали на 10 -17 М. При внутрішньоклітинної концентрації 20 мМ в термінали міститься приблизно 1,5 · 10 -15 М, так що збільшення концентрації натрію в результаті одного потенціалу дії становить 0,7%. Пачка з 50 імпульсів теоретично призведе до збільшення рівня натрію на 35% і аналогічному зниження рівня калію. Вхід натрію збільшує активність натрій-калієвого обмінника так, що концентрації швидко повертаються до початкового рівня.
На підставі яких дослідів був зроблений цей висновок? На перший погляд, вимір натрієвої (g Na) і калієвої (g к) провідностей здається простим завданням. Потрібно тільки виміряти величину струму (I), що протікає через мембрану при тому чи іншому потенціал (V m), оскільки:
Однак, перш необхідно вирішити дві проблеми. По-перше, струм, що протікає через мембрану, призведе до зміни мембранного потенціалу; це, у свою чергу, викличе зміну провідностей. Рішення було знайдено шляхом розробки методу, що дозволяє швидко встановлювати заданий мембранний потенціал і підтримувати його на постійному рівні, при цьому вимірюючи величину і часовий хід мембранного струму. Оскільки потенціал фіксований протягом усього часу експерименту, струм буде акуратно відображати зміни провідності мембрани. Друга проблема полягає в тому, щоб розділити різні компоненти мембранного струму для того, щоб виміряти їх індивідуальні характеристики. Для подолання цього ускладнення застосовувалися різні методи, в тому числі заміна натрію на іон, не проникає через мембрану, а пізніше використовувалися селективні токсини і отрути.
Висновок
Потенціал дії є результатом швидкого і значного збільшення натрієвої провідності мембрани. Вхід великої кількості іонів хлору і акумуляція позитивного заряду на внутрішній поверхні мембрани клітини зрушує мембранний потенціал у напрямку E Na. Реполяризації мембрани відбувається в результаті подальшого збільшення калієвої провідності і зменшення внутрішньоклітинного позитивного заряду через вихід іонів калію з клітки. Мембранний потенціал при цьому знову наближається до Е к. Таке пояснення механізму генерації потенціалу дії веде до розуміння принципів поширення імпульсу.
Література
1. Реутов В.П. та ін Проблема оксиду азоту в біології та медицині і принцип циклічності.
2. Методологія біології: нові ідеї (синергетика, семіотика, коеволюція). Ред. Баксанский О.Е.
3. Новіков Г.Г. Ріст і енергетика розвитку костистих риб у ранньому онтогенезі.
План
1. Іонні механізми потенціалу дії
1.1 Вимірювання мембранних струмів
1.2 Натрієві та калієві струми
2. Зростання потенціалу
2.1 Яка кількість іонів входить у клітину і виходить з неї під час потенціалу дії?
2.2 Позитивна і негативна зворотній зв'язок під час змін провідності
2.3 Вимірювання провідності
Висновок1. Іонні механізми потенціалу дії
1.1 Вимірювання мембранних струмів
Кількісний опис механізмів, що беруть участь в генерації потенціалу дії, стало можливим завдяки методу вимірювання мембранних струмів в умові фіксації потенціалу. Цей метод дозволяє визначити, який внесок вносять іони того чи іншого типу в мембранний струм, а також обчислити величину і часовий хід змін відповідних іонних провідностей. Активація натрієвої провідності носить короткочасний характер, за нею йде інактивація. Збільшення калієвої провідності продовжується до тих пір, поки не закінчиться деполяризація. Саме залежність натрієвої і калієвої провідностей від мембранного потенціалу і їх почергове активація якісно визначають як амплітуду, так і тимчасової хід потенціалу дії, так само як і інші мембранні характеристики, включаючи поріг і рефрактерний період.
Дослідження провідностей одиночних калієвих і натрієвих каналів під час потенціалу дії проводилися в умовах фіксації потенціалу ділянки мембрани. Спостережувані при цьому принципи роботи окремих каналів відповідають результатам, отриманим раніше в експериментах з фіксацією потенціалу цілої клітини: при деполяризації ймовірність відкриття натрієвих і калієвих каналів зростає. Зростання імовірності відбувається з тим же тимчасовим ходом, що і відповідні струми в умовах фіксації потенціалу. Так, натрієві канали найбільш часто відкриваються на початку деполярізующего імпульсу і ймовірність таких відкриттів падає в міру розвитку натрієвої інактивації.
У генерації потенціалу дії можуть брати участь і інші катіонні канали. У деяких клітинах фаза зростання потенціалу дії визначається активацією кальцієвих каналів, а реполяризації відбувається завдяки активації різних типів калієвих каналів.
1.2 Натрієві та калієві струми
Потенціал спокою залежить головним чином від різниці концентрацій калію (як було запропоновано Бернштейном в 1902 році), і, в меншій мірі, від концентрацій натрію і хлору. Одночасно зі створенням Бернштейном теорії потенціалу спокою, Овертон зробив важливе відкриття: він показав, що для генерації нервом потенціалу дії необхідний натрій, і зробив боязке припущення про те, що основою потенціалу дії є вхід іонів натрію в клітину. Розвиток ця гіпотеза отримала завдяки дослідам на аксоні кальмара.У 1939 році Ходжкін і Хакслі показали, що на піку потенціалу дії відбувається короткочасна зміна знака («овершут») потенціалу на внутрішній стороні мембрани в область позитивних значень. Це спостереження підтвердило участь натрію в потенціалі дії, оскільки вхід натрію в клітину відбувається і при позитивних значеннях мембранного потенціалу аж до натрієвого рівноважного потенціалу E Na. Через десятиліття Ходжкін і Катц добилися зменшення явища овершут шляхом зниження позаклітинної концентрації натрію, а отже, і Е Na. Вони прийшли до висновку, що потенціал дії є результат значного, хоча й короткочасного, збільшення натрієвої провідності мембрани. Сьогодні відомо, що це збільшення відбувається за рахунок відкриття величезного числа потенціалзалежні натрієвих каналів.
Чим пояснюється фаза спаду потенціалу дії? Можна припустити, що спад відбувається просто в результаті закриття натрієвих каналів. Це, дійсно, один з факторів. Однак, якщо б це був єдиний механізм, то повернення мембранного потенціалу до рівня потенціалу спокою у більшості клітин відбувався б набагато повільніше, ніж насправді. Причина цього в тому, що загальна провідність мембрани в спокої досить мала, і вихід накопичених в результаті потенціалу дії позитивних іонів з клітки зайняв би кілька мілісекунд, а то й десятки мілісекунд. У дійсності, повернення до рівня потенціалу спокою відбувається набагато швидше завдяки значному збільшенню іншої мембранної провідності, а саме, за рахунок відкриття калієвих каналів. З тією ж швидкістю, з якою мембранний потенціал деполяризувати в напрямку E Na, він гіперполярізуется на фазі спаду потенціалу дії в напрямку Е K. Збільшення калієвої провідності може тривати до декількох мілісекунд, що призводить у багатьох клітинах не тільки до реполяризації, але і до гіперполяризації мембрани до значень більше негативних, ніж потенціал спокою.
2. Зростання потенціалу
2.1 Яка кількість іонів входить у клітину і виходить з неї під час потенціалу дії?
Якщо врахувати, що на фазі росту потенціалу дії в клітку входить велика кількість натрію і велика кількість калію її покидає на фазі спаду, то стає очевидним, що концентрації цих іонів в цитоплазмі повинні змінитися. Величину цих змін можна визначити або експериментально, або шляхом розрахунків.Обчислення співвідношення між мембранним потенціалом і трансмембранних концентрацій. При потенціалі -67 мВ на внутрішній поверхні мембрани знаходиться приблизно 4 · 11 жовтня негативних зарядів на см 2. На піку потенціалу дії (+40 мВ) замість цього негативного заряду всередині клітини накопичується близько 2,4 · 11 жовтня позитивних зарядів, що відбувається в результаті входу в клітку 6,4 · жовтня 1911 іонів натрію на см 2. Це відповідає приблизно 10 -12 моль / см 2. Експериментальні вимірювання входу радіоактивного натрію і виходу радіоактивного калію дали значення між 3 · 10 -12 і 4 · 10 -12 моль / см 2. Різниця між теоретично передбаченим і експериментальним значеннями пояснюються головним чином тим, що при розрахунках не бралося до уваги те, що вхід натрію і вихід калію частково перекриваються в часі. Таким чином, кількість вхідного натрію перевищує значення, необхідне для деполяризації мембрани до пікового рівня потенціалу дії, оскільки вихід калію починається до моменту досягнення піку.
Який вплив входу натрію на його внутрішньоклітинну концентрацію? Сегмент аксона кальмара завдовжки
Потенціал дії в більш тонких відростках нейрона може призвести до більш значних змін внутрішньоклітинних концентрацій натрію і калію, ніж у гігантському аксоні кальмара. Так, нервове закінчення діаметром 1 мкм і довжиною 100 мкм має площу поверхні 3 · 10 -6 см 2 і об'єм 8 · 10 -14 л. Під час потенціалу дії вхід натрію 3 · 10 -6 моль / см 2 робить збільшення кількості натрію всередині термінали на 10 -17 М. При внутрішньоклітинної концентрації
2.2 Позитивна і негативна зворотній зв'язок під час змін провідності
Головною властивістю натрієвої і калієвої провідностей, що визначає характер струмів під час потенціалу дії, є їх потенціалзалежне: ймовірність відкриття іонних каналів збільшується з деполяризацією мембранного потенціалу. Деполяризація збільшує натрієву провідність, а також, з деякою затримкою, калієву. Вплив деполяризації на натрієву провідність носить регенеративний характер: спочатку невелика деполяризація збільшує кількість відкритих каналів; іони натрію, що входять в клітину у напрямку свого електрохімічного градієнта, виробляють подальшу деполяризацію мембрани, відкриття більшої кількості каналів, що тягне за собою вхід ще більшого числа іонів, і так далі. Такий самопосилюється характеризується позитивним зворотним зв'язком. Потенціал - залежність калієвих каналів, навпаки, характеризується наявністю негативного зворотного зв'язку. При деполяризації кількість відкритих калієвих каналів зростає, і іони калію входять в клітку в напрямі електрохімічного градієнта. Однак, вхід калію не підсилює деполяризацію, а веде до реполяризації та поверненню калієвої провідності у стан спокою.2.3 Вимірювання провідності
Те, що до цих пір обговорювалося, було запропоновано Ходжкіна, Хакслі і Катцу і детально розроблено Ходжкіна та Хакслі, які поставили елегантні досліди на гігантському аксоні кальмара. Вони експериментально показали, що при потенціалі дії відбуваються зміни калієвої і натрієвої провідностей, і що послідовність цих змін в точності визначає часовий хід і величину потенціалу дії.На підставі яких дослідів був зроблений цей висновок? На перший погляд, вимір натрієвої (g Na) і калієвої (g к) провідностей здається простим завданням. Потрібно тільки виміряти величину струму (I), що протікає через мембрану при тому чи іншому потенціал (V m), оскільки:
Однак, перш необхідно вирішити дві проблеми. По-перше, струм, що протікає через мембрану, призведе до зміни мембранного потенціалу; це, у свою чергу, викличе зміну провідностей. Рішення було знайдено шляхом розробки методу, що дозволяє швидко встановлювати заданий мембранний потенціал і підтримувати його на постійному рівні, при цьому вимірюючи величину і часовий хід мембранного струму. Оскільки потенціал фіксований протягом усього часу експерименту, струм буде акуратно відображати зміни провідності мембрани. Друга проблема полягає в тому, щоб розділити різні компоненти мембранного струму для того, щоб виміряти їх індивідуальні характеристики. Для подолання цього ускладнення застосовувалися різні методи, в тому числі заміна натрію на іон, не проникає через мембрану, а пізніше використовувалися селективні токсини і отрути.
Висновок
Потенціал дії є результатом швидкого і значного збільшення натрієвої провідності мембрани. Вхід великої кількості іонів хлору і акумуляція позитивного заряду на внутрішній поверхні мембрани клітини зрушує мембранний потенціал у напрямку E Na. Реполяризації мембрани відбувається в результаті подальшого збільшення калієвої провідності і зменшення внутрішньоклітинного позитивного заряду через вихід іонів калію з клітки. Мембранний потенціал при цьому знову наближається до Е к. Таке пояснення механізму генерації потенціалу дії веде до розуміння принципів поширення імпульсу.
Література
1. Реутов В.П. та ін Проблема оксиду азоту в біології та медицині і принцип циклічності.
2. Методологія біології: нові ідеї (синергетика, семіотика, коеволюція). Ред. Баксанский О.Е.
3. Новіков Г.Г. Ріст і енергетика розвитку костистих риб у ранньому онтогенезі.