Білоруський державний університет
кафедра фізіології людини і тварин
РЕФЕРАТ
На тему:
«Елементи фізіології клітини»
МІНСЬК, 2008
Клітини всіх живих організмів оточені зовнішньою мембраною - плазмолеммой, цитолеммой. Більшість клітин містять мембрани і в цитоплазмі, вони складають оболонки органоїдів (органел). Біохімічний склад мембран специфічний для кожного типу клітин. Разом з тим відомо, що всі мембрани побудовані з ліпідів, білків і вуглеводів, причому останні утворюють комплекси або з білками (глікопротеїди), або з ліпідами (гліколіпіди).
Відповідно до сучасних уявлень, найбільш повно структуру і функції біологічних мембран описує рідинно-мозаїчна модель, запропонована Сінглером і Ніколсоном у 1972 р . Структура біомембран та властивості іонних каналів наводяться за підручником В. О. Самойлова.
Структурну матрицю мембрани складають ліпіди, на частку яких припадає від 15 до 50% сухої маси. Серед них є фосфоліпіди, гліколіпіди і стероїди. Фосфоліпіди побудовані таким чином, що мають «головку», «тіло» і «хвости». Найважливіше фізико-хімічна властивість фосфоліпідів - амфофільность, за рахунок гідрофільності полярної голівки і гідрофобності жирнокислотних хвостів. У водному середовищі молекули фосфоліпідів шикуються мимовільно так, що гідрофобні ділянки їх молекули виявляються укритими від молекул води, в той час як гідрофільні головки вступають з нею у взаємодію. При агрегації молекул створюється «конструкція», поперечний вигляд якої представляє собою подвійний шар фосфоліпідів, головки яких орієнтовані назовні і всередину від середньої частини мембрани, а середину займають неполярні жирнокислотний хвости. Ширина ліпідного бішару наближається до 6 нм.
Ліпідна матриця динамічно стійка і є каркасом для включення в неї білкових компонентів.
Білки мембрани умовно поділяють на периферичні і власні (інтегральні). Периферичні білки розташовані на поверхні ліпідного бішару, інтегральні ж пронизують його, або занурені на певну глибину.
Серед різноманітних функцій мембранних білків розрізняють:
· Транспортну (білки-канали і білки-переносники);
· Каталітичну (білки-ензими);
· Структурну (білки-підсилювачі міцності мембрани);
· Рецепторну (білки-рецептори).
Вуглеводи клітинних мембран присутні в плазмолемма у вигляді сполук з білками (глікопротеїди) і ліпідами (гліколіпіди), вони інтегровані в рецептірующіе структури і забезпечують рецепцію вірусів, антигенів, токсинів, гормонів, інших біологічно активних або сигнальних молекул.
Неодмінний компонент мембран - вода і солі, у вигляді катіонів та аніонів. Мембрана зберігає свою структуру тільки у водному середовищі, оскільки гідрофобні та гідрофільні ділянки біомолекул плазмолеми можуть взаємодіяти з молекулами води при структуруванні мембран.
Полярні групи фосфоліпідів, глікопротеїдів, гліколіпідів створюють в реальних умовах функціонування клітин поверхневий заряд мембрани, рівний від -10 до -30 мілівольт. Цей заряд, званий дзета-потенціалом, експоненціально зменшується в міру віддалення від плазмалеми. Дзета - потенціал перешкоджає тісній злипанню мембран сусідніх клітин при їхньому зіткненні. Зміна поверхневого заряду еритроцитів при різних фізіологічних і патологічних станах організму призводить до зміни швидкості їх осідання в умовах спеціального тесту (ШОЕ).
Обов'язковою функцією мембрани будь-якої клітини, крім ізоляції вмісту від інтерстиціального (міжклітинної) простору є транспорт речовин.
Мембранні білки як переносники іонів.
Трансмембранний перенесення речовин в напрямку, протилежному дії сил, що визначаються фізико-хімічними градієнтами (насамперед концентраційним і електричним) називають активним транспортом. Він необхідний як для накопичення в клітинах (або певних органелах) речовин, в яких вони потребують, навіть із середовища з їх низькою концентрацією, так і для виведення з клітин (органоїдів) тих молекул, зміст яких там повинно підтримуватися на низькому рівні, навіть при підвищенні його в навколишньому середовищі.
Системи активного транспорту іонів (іонні насоси, іонні помпи) забезпечують нерівноважний розподіл іонів між клітиною і міжклітинної середовищем, а також між цитозолі та органоидами.
Іони входять до складу всіх рідких середовищ організму і біологічно важливих молекул, регулюють ефективність обміну речовин. Всі перетворення енергії, включаючи освіту та використання макроергів, контролюються іонами. В організмі вони становлять досить збалансовані внутрішньоклітинну і позаклітинне іонні системи. Весь клітинний метаболізм надзвичайно чутливий до зміни вмісту К +, Na +, Са + + і Cl-в цитозолі. Ці ж іони визначають електричну активність збудливих клітин.
Як встановлено в численних дослідженнях, в організмі тварин і людини половина всіх іонів натрію міститься в міжклітинному середовищі (інтерстиції), приблизно 40% - в кістковій тканині і лише 10% - всередині клітин. Відповідно до вимог електронейтральності і правилом Доннана, в інтерстиції натрію супроводжують аніони хлору і бікарбонату, концентрації яких там значно вище, ніж у цитозолі. Катіони калію і магнію зосереджені переважно усередині клітин. З 160 г іонізованого калію, що входить до складу тіла людини середнього зросту і маси, тільки 3 г припадає на міжклітинну середу. У цитозолі Са + + присутній в незначній концентрації (близько 10-8 моль / л) навіть у м'язових волокнах, де його зміст відносно велике, але й там він зосереджений не в цитозолі, а в цистернах саркоплазматичної мережі, мембрана якої в несокращающіхся м'язах служить непереборною перешкодою для переміщення цього іона.
Зміст іонів в інтерстиції і цитозолі
Наведено за В. О. Самойлову, 2004 р .
Стабільне підтримку іонного нерівноваги, а також переміщення іонів через клітинні мембрани у бік більш високого електрохімічного потенціалу для здійснення багатьох фізіологічних процесів забезпечується роботою іонних насосів.
Калій-натрієвий насос. Дуже високі градієнти концентрації Na + і К + між цитозолі та цитоплазмою нервових і м'язових, а також багатьох інших клітин підтримуються активним транспортом. Різниця в їх концентраціях настільки значна, що без існування транспортної системи через постійну витоку іонів по концентраційному градієнту електрогенез був би абсолютно неможливим.
Калій-натрієвий насос - вельми енергоємна система. Енергія витрачається на антіпорт натрію і калію.
Компонентами калій-натрієвої помпи є АТФ (джерело енергії) і натрій-калій-активована АТФаза (скорочено - Na-K-АТФаза), яка служить одночасно і сполученої фактором, і переносником.
Згідно з однією з моделей, на внутрішній стороні клітинної мембрани знаходяться молекулярні комплекси, здатні фосфорилювати за рахунок приєднання кінцевий фосфатної групи АТФ, відщеплюється при його гідролізі. Фосфорілірованний транспортний комплекс переносить пов'язаний з ним Na + - на зовнішню сторону клітинної мембрани, де обмінює його на K +. Прийнявши іони калію, він транспортує їх всередину клітини, після чого дефосфорилюється. Для наступного транспортного циклу йому потрібне нове фосфорилювання за рахунок гідролізу АТФ.
За іншої моделі, Na-K-АТФаза працює як переносник. Молекула інтегрального білка - ферменту повністю пронизує плазмолемма. У цитоплазмі через активність мітохондрій є великий запас АТФ, тому саме тут відбувається його контакт з Na-K-АТФази. Транспорт іонів ініціюється зміною (підвищенням) внутрішньоклітинної концентрації Na +, викликаного або проходженням хвилі збудження (потенціалу дії), або пасивної витоком цього іона по концентраційному і електричному градієнту (у нервовому волокні кальмара концентрація Na + складає 50 ммоль / л, а в інтерстиції - 450 ммоль / л.). Na-K-АТФаза активується і натрієм, і калієм, але проявляє при цьому яскраво виражену асиметрію: натрій діє на неї тільки з боку цитоплазми, а калій - з міжклітинного середовища, при деякому зсуві специфічності у бік натрію.
Для зустрічного переміщення (антіпорта) натрію і калію Na-K-АТФази характерна стехіометрія, для аксона кальмара рівна 3 / 2. Це означає, що при гідролізі однієї молекули АТФ відбувається транспорт трьох іонів натрію (назовні) і двох іонів калію (всередину клітини). Втрата цитоплазмою трьох позитивних зарядів замість двох кілька зміщує мембранний потенціал (підвищує електронегативність цитоплазми), що позначається як електрогенность іонного насосу.
Специфічним блокатором калій-натрієвого насоса служить строфантин Г (уабаін), який є інгібітором Na-K-АТФази. Навіть у концентрації 10-7 моль / л уабаін пригнічує її активність на 50%. Встановлено, що лікувальний ефект серцевих глікозидів (строфантину та дигітоніну), що застосовуються при серцевій недостатності, обумовлений їх дією на калій-натрієвий насос плазмолеми міокардіальних волокон.
Калій-натрієва помпа локалізована на мембранах практично всіх клітин організму, але відносно багато молекул - насосів є там, де здійснюється особливо інтенсивний транспорт іонів, наприклад, в ниркових або кишкових епітеліоцитах або в мембранах електрозбудження клітин. Але рекорд належить клітинам електричних органів риб, а також клітинам соляної залози альбатроса, в якій відбувається опріснення морської води активним транспортом з неї іонів натрію. Виключно значуща роль локалізованого в шкірі калій-натрієвого насоса в житті земноводних, колись еволюційно «вийшли» з водного середовища на сушу. У жаби локалізована в епітеліоцитах шкіри помпа перекачує іони натрію з навколишнього середовища в міжклітинну рідину навіть тоді, коли концентрація натрію в прісній водоймі в тисячі разів нижче, ніж в інтерстиції тварини.
На роботу іонних насосів витрачатися значна частка всієї вироблюваної в організмі вільної енергії.
Ще одним представником іонних насосів, які виконують виключно важливу роль, є кальцієвий.
У клітці іонів кальцію належить не тільки електрогенная, а й регулююча роль. З цієї причини необхідно строго регулювати внутрішньоклітинну їх концентрацію.
Кальцієвий насос підтримує вміст іонів Са + + в цитозолі на низькому рівні. Як депо кальцію виступають мітохондрії і цистерни ендоплазматичного ретикулума. Їх мембрани і містять кальцієвий насосний механізм.
Детальні дослідження кальцієвої помпи проведені на зразках, отриманих з мембран саркоплазматичної мережі міоцитів скелетних м'язів, де її активність особливо висока.
Джерелом енергії для системи активного транспорту кальцію служить АТФ. Другим компонентом насоса є Са + +-активована АТФаза (скорочено - Са-АТФази).
У саркоплазматичної мережі на частку Са-АТФази припадає 60% загального мембранного білка. Мабуть, в мембрані саркоплазматичної мережі немає іншого інтегрального білка, крім Са-АТФази. Інші 40% мембранних протеїнів становлять периферичні білки. На активний транспорт двох молей Са + + витрачається один моль АТФ.
Кальцієвий насос, на відміну від калій-натрієвого, не володіє електрогеннимі властивостями - активний транспорт Са + + не призводить до утворення додаткової різниці потенціалів на мембрані саркоплазматичної мережі. Неелектрогенность кальцієвої помпи обумовлена високою проникністю цієї мембрани для багатьох іонів. Тому мембранний потенціал, створюваний перенесенням зарядів при переміщенні іонів Ca + + відразу нівелюється через витік інших іонів.
Мембранні білки як іонні канали.
Серед інтегральних білків плазматичної мембрани є кілька сімейств, що виконують функції іонних каналів. Деякі з них є високу селективність для певних іонів, їх відносять до класу селективних (наприклад, для іона натрію чи калію). Інші здатні переносити тільки або катіони, або аніони (іони хлору). Іонні канали можуть перебувати у відкритому чи закритому стані, в залежності від способу активації та загального заряду клітинної мембрани. Переміщення катіонів та аніонів через пори каналів відбувається за градієнтом їх концентрації (концентраційного градієнту) або по градієнту потенціалу (електрохімічного градієнту).
За способом активації виділяють:
· Потенціал-актівіруемие іонні канали (перехід із закритого у відкрите стан і назад здійснюється конформацією білкової молекули при зміні потенціалу мембрани). Прикладом може служити потенціал-залежний натрієвий канал, що визначає деполяризацію клітини при генерації потенціалу дії.
· Механочувствітельние іонні канали (відкриваються при дії на мембрану клітини механічного стимулу, наприклад, при активації механорецепторів шкіри).
· Ліганд-актівіруемие іонні канали. За способом активації вони поділені на дві групи (екстраклеточную і внутрішньоклітинні) залежно від того, з якого боку мембрани впливає ліганд. Якщо стимул (наприклад, ацетилхолін) при здійсненні синаптичної передачі збудження в нервово-м'язовому синапсі діє на рецептор (в даному прикладі холінорецептор, що представляє собою одну з декількох білкових субодиниць іонного каналу), розташований на зовнішній поверхні мембрани м'язової клітини, відкриється іонний канал, проникний для катіонів. Якщо ліганд-активуються канали залежать від вторинних посередників у клітці, їх перехід у відкритий стан здійснюється при зміні концентрації певних іонів в цитоплазмі. Прикладом може служити кальцій-активується калієвий канал, що активується при збільшенні концентрації іонів кальцію в клітині. Такі канали беруть участь у реполяризації мембрани при завершенні потенціалу дії.
Існування мембранних білків - іонних каналів доведено біохімічними, біофізичними та електрофізіологічними методами. Для багатьох з них розшифрована структура, визначена амінокислотна послідовність і локалізація в клітинній мембрані. Існування іонних каналів зумовлює електрогенез збудливих клітин.
Умови і причини існування потенціалу спокою.
Розрахунки та експериментальні дані свідчать про те, що всі клітини організму в стані «оперативного» спокою характеризуються певним ступенем поляризації. Плазмолемма кожної клітини заряджена, і в спокої на її внутрішній поверхні підтримується негативний щодо міжклітинного середовища потенціал. Трансмембранний різниця потенціалів у різних клітинах різна, але всюди досягає декількох десятків мілівольт. За допомогою мікроелектродної техніки вдалося в експерименті прямо виміряти реальну різницю потенціалів по обидва боки клітинної мембрани.
Потенціал спокою (ПП) гігантського кальмара аксона наближається до -85 мВ, нервові і м'язові волокна інших тварин мають приблизно такий же (близько -90 мВ) потенціал спокою.
Які іони та іонні канали забезпечують біоелектрогенез? До теперішнього часу відомо, що основний внесок в потенціал спокою і потенціал дії вносять чотири іона. Na + K + Ca + + Cl-здатні проникати (або не проникати) в певних умовах через відповідні іонні канали.
Для того, щоб певний іон (має заряд) міг проникнути через мембрану, необхідно, щоб для цього були умови:
кафедра фізіології людини і тварин
РЕФЕРАТ
На тему:
«Елементи фізіології клітини»
МІНСЬК, 2008
Клітини всіх живих організмів оточені зовнішньою мембраною - плазмолеммой, цитолеммой. Більшість клітин містять мембрани і в цитоплазмі, вони складають оболонки органоїдів (органел). Біохімічний склад мембран специфічний для кожного типу клітин. Разом з тим відомо, що всі мембрани побудовані з ліпідів, білків і вуглеводів, причому останні утворюють комплекси або з білками (глікопротеїди), або з ліпідами (гліколіпіди).
Відповідно до сучасних уявлень, найбільш повно структуру і функції біологічних мембран описує рідинно-мозаїчна модель, запропонована Сінглером і Ніколсоном у
Структурну матрицю мембрани складають ліпіди, на частку яких припадає від 15 до 50% сухої маси. Серед них є фосфоліпіди, гліколіпіди і стероїди. Фосфоліпіди побудовані таким чином, що мають «головку», «тіло» і «хвости». Найважливіше фізико-хімічна властивість фосфоліпідів - амфофільность, за рахунок гідрофільності полярної голівки і гідрофобності жирнокислотних хвостів. У водному середовищі молекули фосфоліпідів шикуються мимовільно так, що гідрофобні ділянки їх молекули виявляються укритими від молекул води, в той час як гідрофільні головки вступають з нею у взаємодію. При агрегації молекул створюється «конструкція», поперечний вигляд якої представляє собою подвійний шар фосфоліпідів, головки яких орієнтовані назовні і всередину від середньої частини мембрани, а середину займають неполярні жирнокислотний хвости. Ширина ліпідного бішару наближається до 6 нм.
Ліпідна матриця динамічно стійка і є каркасом для включення в неї білкових компонентів.
Білки мембрани умовно поділяють на периферичні і власні (інтегральні). Периферичні білки розташовані на поверхні ліпідного бішару, інтегральні ж пронизують його, або занурені на певну глибину.
Серед різноманітних функцій мембранних білків розрізняють:
· Транспортну (білки-канали і білки-переносники);
· Каталітичну (білки-ензими);
· Структурну (білки-підсилювачі міцності мембрани);
· Рецепторну (білки-рецептори).
Вуглеводи клітинних мембран присутні в плазмолемма у вигляді сполук з білками (глікопротеїди) і ліпідами (гліколіпіди), вони інтегровані в рецептірующіе структури і забезпечують рецепцію вірусів, антигенів, токсинів, гормонів, інших біологічно активних або сигнальних молекул.
Неодмінний компонент мембран - вода і солі, у вигляді катіонів та аніонів. Мембрана зберігає свою структуру тільки у водному середовищі, оскільки гідрофобні та гідрофільні ділянки біомолекул плазмолеми можуть взаємодіяти з молекулами води при структуруванні мембран.
Полярні групи фосфоліпідів, глікопротеїдів, гліколіпідів створюють в реальних умовах функціонування клітин поверхневий заряд мембрани, рівний від -10 до -30 мілівольт. Цей заряд, званий дзета-потенціалом, експоненціально зменшується в міру віддалення від плазмалеми. Дзета - потенціал перешкоджає тісній злипанню мембран сусідніх клітин при їхньому зіткненні. Зміна поверхневого заряду еритроцитів при різних фізіологічних і патологічних станах організму призводить до зміни швидкості їх осідання в умовах спеціального тесту (ШОЕ).
Обов'язковою функцією мембрани будь-якої клітини, крім ізоляції вмісту від інтерстиціального (міжклітинної) простору є транспорт речовин.
Мембранні білки як переносники іонів.
Трансмембранний перенесення речовин в напрямку, протилежному дії сил, що визначаються фізико-хімічними градієнтами (насамперед концентраційним і електричним) називають активним транспортом. Він необхідний як для накопичення в клітинах (або певних органелах) речовин, в яких вони потребують, навіть із середовища з їх низькою концентрацією, так і для виведення з клітин (органоїдів) тих молекул, зміст яких там повинно підтримуватися на низькому рівні, навіть при підвищенні його в навколишньому середовищі.
Системи активного транспорту іонів (іонні насоси, іонні помпи) забезпечують нерівноважний розподіл іонів між клітиною і міжклітинної середовищем, а також між цитозолі та органоидами.
Іони входять до складу всіх рідких середовищ організму і біологічно важливих молекул, регулюють ефективність обміну речовин. Всі перетворення енергії, включаючи освіту та використання макроергів, контролюються іонами. В організмі вони становлять досить збалансовані внутрішньоклітинну і позаклітинне іонні системи. Весь клітинний метаболізм надзвичайно чутливий до зміни вмісту К +, Na +, Са + + і Cl-в цитозолі. Ці ж іони визначають електричну активність збудливих клітин.
Як встановлено в численних дослідженнях, в організмі тварин і людини половина всіх іонів натрію міститься в міжклітинному середовищі (інтерстиції), приблизно 40% - в кістковій тканині і лише 10% - всередині клітин. Відповідно до вимог електронейтральності і правилом Доннана, в інтерстиції натрію супроводжують аніони хлору і бікарбонату, концентрації яких там значно вище, ніж у цитозолі. Катіони калію і магнію зосереджені переважно усередині клітин. З
Зміст іонів в інтерстиції і цитозолі
| Клітинна структура | Іон | Концентрація іонів, ммоль / л | |
| в інтерстиції | в цитозолі | ||
| Кардіоміоцити ссавців | Na + | 145 | 15 |
| K + | 4 | 150 | |
| Са + + | 2 | 10-4 в спокої 10-2 при скороченні | |
| С1- | 120 | 6 | |
| Аксон кальмара | Na + | 450 | 50 |
| К + | 20 | 400 | |
Стабільне підтримку іонного нерівноваги, а також переміщення іонів через клітинні мембрани у бік більш високого електрохімічного потенціалу для здійснення багатьох фізіологічних процесів забезпечується роботою іонних насосів.
Калій-натрієвий насос. Дуже високі градієнти концентрації Na + і К + між цитозолі та цитоплазмою нервових і м'язових, а також багатьох інших клітин підтримуються активним транспортом. Різниця в їх концентраціях настільки значна, що без існування транспортної системи через постійну витоку іонів по концентраційному градієнту електрогенез був би абсолютно неможливим.
Калій-натрієвий насос - вельми енергоємна система. Енергія витрачається на антіпорт натрію і калію.
Компонентами калій-натрієвої помпи є АТФ (джерело енергії) і натрій-калій-активована АТФаза (скорочено - Na-K-АТФаза), яка служить одночасно і сполученої фактором, і переносником.
Згідно з однією з моделей, на внутрішній стороні клітинної мембрани знаходяться молекулярні комплекси, здатні фосфорилювати за рахунок приєднання кінцевий фосфатної групи АТФ, відщеплюється при його гідролізі. Фосфорілірованний транспортний комплекс переносить пов'язаний з ним Na + - на зовнішню сторону клітинної мембрани, де обмінює його на K +. Прийнявши іони калію, він транспортує їх всередину клітини, після чого дефосфорилюється. Для наступного транспортного циклу йому потрібне нове фосфорилювання за рахунок гідролізу АТФ.
За іншої моделі, Na-K-АТФаза працює як переносник. Молекула інтегрального білка - ферменту повністю пронизує плазмолемма. У цитоплазмі через активність мітохондрій є великий запас АТФ, тому саме тут відбувається його контакт з Na-K-АТФази. Транспорт іонів ініціюється зміною (підвищенням) внутрішньоклітинної концентрації Na +, викликаного або проходженням хвилі збудження (потенціалу дії), або пасивної витоком цього іона по концентраційному і електричному градієнту (у нервовому волокні кальмара концентрація Na + складає 50 ммоль / л, а в інтерстиції - 450 ммоль / л.). Na-K-АТФаза активується і натрієм, і калієм, але проявляє при цьому яскраво виражену асиметрію: натрій діє на неї тільки з боку цитоплазми, а калій - з міжклітинного середовища, при деякому зсуві специфічності у бік натрію.
Для зустрічного переміщення (антіпорта) натрію і калію Na-K-АТФази характерна стехіометрія, для аксона кальмара рівна 3 / 2. Це означає, що при гідролізі однієї молекули АТФ відбувається транспорт трьох іонів натрію (назовні) і двох іонів калію (всередину клітини). Втрата цитоплазмою трьох позитивних зарядів замість двох кілька зміщує мембранний потенціал (підвищує електронегативність цитоплазми), що позначається як електрогенность іонного насосу.
Специфічним блокатором калій-натрієвого насоса служить строфантин Г (уабаін), який є інгібітором Na-K-АТФази. Навіть у концентрації 10-7 моль / л уабаін пригнічує її активність на 50%. Встановлено, що лікувальний ефект серцевих глікозидів (строфантину та дигітоніну), що застосовуються при серцевій недостатності, обумовлений їх дією на калій-натрієвий насос плазмолеми міокардіальних волокон.
Калій-натрієва помпа локалізована на мембранах практично всіх клітин організму, але відносно багато молекул - насосів є там, де здійснюється особливо інтенсивний транспорт іонів, наприклад, в ниркових або кишкових епітеліоцитах або в мембранах електрозбудження клітин. Але рекорд належить клітинам електричних органів риб, а також клітинам соляної залози альбатроса, в якій відбувається опріснення морської води активним транспортом з неї іонів натрію. Виключно значуща роль локалізованого в шкірі калій-натрієвого насоса в житті земноводних, колись еволюційно «вийшли» з водного середовища на сушу. У жаби локалізована в епітеліоцитах шкіри помпа перекачує іони натрію з навколишнього середовища в міжклітинну рідину навіть тоді, коли концентрація натрію в прісній водоймі в тисячі разів нижче, ніж в інтерстиції тварини.
На роботу іонних насосів витрачатися значна частка всієї вироблюваної в організмі вільної енергії.
Ще одним представником іонних насосів, які виконують виключно важливу роль, є кальцієвий.
У клітці іонів кальцію належить не тільки електрогенная, а й регулююча роль. З цієї причини необхідно строго регулювати внутрішньоклітинну їх концентрацію.
Кальцієвий насос підтримує вміст іонів Са + + в цитозолі на низькому рівні. Як депо кальцію виступають мітохондрії і цистерни ендоплазматичного ретикулума. Їх мембрани і містять кальцієвий насосний механізм.
Детальні дослідження кальцієвої помпи проведені на зразках, отриманих з мембран саркоплазматичної мережі міоцитів скелетних м'язів, де її активність особливо висока.
Джерелом енергії для системи активного транспорту кальцію служить АТФ. Другим компонентом насоса є Са + +-активована АТФаза (скорочено - Са-АТФази).
У саркоплазматичної мережі на частку Са-АТФази припадає 60% загального мембранного білка. Мабуть, в мембрані саркоплазматичної мережі немає іншого інтегрального білка, крім Са-АТФази. Інші 40% мембранних протеїнів становлять периферичні білки. На активний транспорт двох молей Са + + витрачається один моль АТФ.
Кальцієвий насос, на відміну від калій-натрієвого, не володіє електрогеннимі властивостями - активний транспорт Са + + не призводить до утворення додаткової різниці потенціалів на мембрані саркоплазматичної мережі. Неелектрогенность кальцієвої помпи обумовлена високою проникністю цієї мембрани для багатьох іонів. Тому мембранний потенціал, створюваний перенесенням зарядів при переміщенні іонів Ca + + відразу нівелюється через витік інших іонів.
Мембранні білки як іонні канали.
Серед інтегральних білків плазматичної мембрани є кілька сімейств, що виконують функції іонних каналів. Деякі з них є високу селективність для певних іонів, їх відносять до класу селективних (наприклад, для іона натрію чи калію). Інші здатні переносити тільки або катіони, або аніони (іони хлору). Іонні канали можуть перебувати у відкритому чи закритому стані, в залежності від способу активації та загального заряду клітинної мембрани. Переміщення катіонів та аніонів через пори каналів відбувається за градієнтом їх концентрації (концентраційного градієнту) або по градієнту потенціалу (електрохімічного градієнту).
За способом активації виділяють:
· Потенціал-актівіруемие іонні канали (перехід із закритого у відкрите стан і назад здійснюється конформацією білкової молекули при зміні потенціалу мембрани). Прикладом може служити потенціал-залежний натрієвий канал, що визначає деполяризацію клітини при генерації потенціалу дії.
· Механочувствітельние іонні канали (відкриваються при дії на мембрану клітини механічного стимулу, наприклад, при активації механорецепторів шкіри).
· Ліганд-актівіруемие іонні канали. За способом активації вони поділені на дві групи (екстраклеточную і внутрішньоклітинні) залежно від того, з якого боку мембрани впливає ліганд. Якщо стимул (наприклад, ацетилхолін) при здійсненні синаптичної передачі збудження в нервово-м'язовому синапсі діє на рецептор (в даному прикладі холінорецептор, що представляє собою одну з декількох білкових субодиниць іонного каналу), розташований на зовнішній поверхні мембрани м'язової клітини, відкриється іонний канал, проникний для катіонів. Якщо ліганд-активуються канали залежать від вторинних посередників у клітці, їх перехід у відкритий стан здійснюється при зміні концентрації певних іонів в цитоплазмі. Прикладом може служити кальцій-активується калієвий канал, що активується при збільшенні концентрації іонів кальцію в клітині. Такі канали беруть участь у реполяризації мембрани при завершенні потенціалу дії.
Існування мембранних білків - іонних каналів доведено біохімічними, біофізичними та електрофізіологічними методами. Для багатьох з них розшифрована структура, визначена амінокислотна послідовність і локалізація в клітинній мембрані. Існування іонних каналів зумовлює електрогенез збудливих клітин.
Умови і причини існування потенціалу спокою.
Розрахунки та експериментальні дані свідчать про те, що всі клітини організму в стані «оперативного» спокою характеризуються певним ступенем поляризації. Плазмолемма кожної клітини заряджена, і в спокої на її внутрішній поверхні підтримується негативний щодо міжклітинного середовища потенціал. Трансмембранний різниця потенціалів у різних клітинах різна, але всюди досягає декількох десятків мілівольт. За допомогою мікроелектродної техніки вдалося в експерименті прямо виміряти реальну різницю потенціалів по обидва боки клітинної мембрани.
Потенціал спокою (ПП) гігантського кальмара аксона наближається до -85 мВ, нервові і м'язові волокна інших тварин мають приблизно такий же (близько -90 мВ) потенціал спокою.
Які іони та іонні канали забезпечують біоелектрогенез? До теперішнього часу відомо, що основний внесок в потенціал спокою і потенціал дії вносять чотири іона. Na + K + Ca + + Cl-здатні проникати (або не проникати) в певних умовах через відповідні іонні канали.
Для того, щоб певний іон (має заряд) міг проникнути через мембрану, необхідно, щоб для цього були умови:
1.Наличие концентраційного градієнта (створюється роботою іонних насосів)
2.Наличие електрохімічного градієнта (створюється сумою концентрацій заряджених частинок і властивостями іонних каналів роз'єднувати катіони і аніони по обидві сторони мембрани).
3.Налічіе відповідних каналів у відкритому стані.
При потенціалі спокою внутрішня сторона клітинної мембрани має заряд, знак якого (заперечність) визначається наявністю в цитоплазмі органічних аніонів (білків та амінокислот), нездатних проникати через іонні канали, і дефіцитом їх протиіонів - катіонів калію, здатних проникати через калієві іонні канали, внаслідок чого в клітці створюється надлишок негативних іонів, а в інтерстиції-надлишок позитивного заряду. Величину негативного заряду в клітці і позитивного заряду в міжклітинному просторі вдається передбачати математично, але тільки для відносно простих випадків, наприклад, для гігантського аксона кальмара.
Величина потенціалу спокою описується з відомим наближенням рівнянням постійного поля, запропонованим Ходжкіна, Гольдманом і Кацем.
Vм = RT / zFln {(pk [K +] о + pNa [Na +] o + pCl [Cl-] i) / (pk [K +] i + pNa [Na +] i + pCl [Cl-] i)}
Не слід плутати поняття мембранний потенціал, рівноважний потенціал і потенціал спокою.
Мембранний потенціал задається сумою діють по обидві сторони мембрани зарядів, визначальною здатність певних іонів проникати через іонні канали.
Рівноважний потенціал - це такий потенціал плазмолеми клітини, при якому сумарний струм певного іона через мембрану дорівнює нулю, незважаючи на можливість окремих іонів проникати через відкриті канали в обмін на такі ж іони, які прямують у протилежному напрямку. Визначається рівнянням Нернста.
Рівноважний потенціал для іона калію
Ек = RT / ZF ln ([K +] o / [K +] i)
Джерелом електромагнітної енергії в будь-якій клітці служить концентраційний елемент, утворений розчинами солей, які нерівноважної розподілені між цитоплазмою і межклетогной рідиною, розділеними плазматичною мембраною, яка має неоднаковою проникністю для катіонів та аніонів, на які дисоціюють ці солі (визначення В. О. Самойлова)
З іншого боку, порівняння ПП і рівноважного потенціалу для конкретного іона дозволяє зрозуміти і передбачити, куди буде переміщатися цей іон при даному ПП і його зміну (конкретному мембранному потенціалі).
Струм іона натрію
iNa = gNa (Vm-ENa)
Розрахунки показують, що рівноважний потенціал при фізіологічних значеннях концентрацій іонів по обидві сторони плазматичної мембрани для найважливіших електрогенних іонів в більшості клітин приблизно відповідають
Єк =- 75 мВ
ЕNa = +55 мВ
ЕCa = +150 мВ
ЕCl =- 80 мВ
У стані спокою величина мембранного потенціалу приблизно на 50% залежить від розподілу щодо мембрани іонів К +. З точки зору біофізики це означає, що рівноважний калієвий потенціал Ек по своїй величині і знаку ближче всього відповідає мембранному ПП. Разом з тим свій внесок у ПП різних збудливих клітин вносить натрієва і хлорне провідність, а також Na +-K + іонний насос.
Функції мембранного потенціалу спокою:
1. Поляризація мембрани є умовою для збудження і гальмування.
2.Полярізація визначає обсяг виділення медіатора з пресинаптичного закінчення.
3. ПП створює умови для знаходження потенціалзалежні каналів в закритому стані (поляризація мембрани створює умови для формування потенціалу дії).
Механізми потенціалу дії
При генерації потенціалу дії (ПД) вирішальний внесок у цей процес вносить потік іонів натрію (в гігантському аксоні кальмара) або натрію і кальцію (в нейронах і кардіоміоцитах, гладких міоцитах), спрямований усередину клітини.
Методом фіксації мембранного потенціалу вдалося виміряти струми, поточні через плазмолемма аксона (аксолемму) кальмара і переконатися в тому, що в спокої струм катіонів (К +) направлений з цитоплазми в интерстиций, а при порушенні домінує струм катіонів (Na +) в клітку. У стані «спокою» плазмолемма майже непроникна для іонів, що знаходяться в міжклітинному просторі (Na + С1-і НСОЗ-,).
При порушенні проникність для іонів натрію на час, рівний декількох мілісекунд, різко зростає, а потім знову падає. У результаті катіони (іони Na +) та аніони (С1-, НСОЗ) разобщаются на плазмолемма: Na + входить в цитоплазму, а аніони немає. Потік позитивних зарядів в цитоплазму не тільки компенсує потенціал спокою, але й перевищує його. Виникає так званий «овершут» (або інверсія мембранного потенціалу). Вхідний потік натрію - результат його пасивного руху по відкрилися мембранним каналах по концентраційному і електричному градієнтам. Вихід потік цього катіона забезпечується калій-натрієвої помпою.
За даними підручника В. О. Самойлова, в аксолемме активність Na-K-активованої АТФази досить висока. Так, на 1 мкм2 мембрани нервового волокна, що входить до складу блукаючого нерва кролика, доводиться близько 750 молекул цього ферменту. У спокої зустрічні потоки натрію врівноважені, тоді як при порушенні (протягом існування ПД) система активного транспорту натрію виявляється нездатною моментально компенсувати різке посилення вхідного потоку. Вона робить це з деяким запізненням. Зі сказаного випливає, що мембранні потенціали (ПП і ПД) є не рівноважними, а стаціонарними, оскільки підтримуються в умовах існування зустрічних іонних потоків через плазматичну мембрану. Зрушення мембранного потенціалу пов'язані з порушенням встановленого стаціонарного режиму, причому порушення супроводжується посиленням і входить, і виходить потоків натрію. Значить, збудження не вимикає систему активного транспорту натрію, а, навпаки, активізує її. Однак навіть при максимальній активізації калій-натрієва помпа не може перешкодити короткочасного накопичення невеликої кількості Na + в цитоплазмі.
Але в досвіді було зафіксовано і інше. Після короткочасного підвищення натрієвої провідності величина мембранного потенціалу досить швидко відновлюється на рівні потенціалу спокою. Виявилося, що в цьому процесі істотна роль калієвих каналів, які забезпечують реполяризацію мембрани за рахунок виходу з клітини якоїсь кількості іонів К + як носіїв позитивного заряду. У різних збудливих тканинах механізм потенціалу дії забезпечується внеском та інших катіонів, зокрема, кальцію. ПД міоцитів пов'язаний із вхідним в цитоплазму з інтерстицію потоком не тільки Na + -, а й Са + +. У скелетних м'язах внесок Са + + в ПД невеликий, в міокарді він більше, а в гладких м'язах домінує.
Підвищення проникності мембрани для позаклітинних катіонів, що веде до генерації потенціалу дії, забезпечується існуванням потенціал-залежних іонних каналів.
Потенціалзалежні натрієві канали в плазматичних мембранах різних клітин представлені декількома типами. Це білкова молекула масою близько 230 кДа, що складається з 4 субодиниць та домену, що несе сильний позитивний заряд.
У структурі іонного каналу виділяють два основних функціональних елементи - селективний фільтр і ворітної механізм (ворота).
Селективний фільтр каналу призначений для захвату лише тих іонів, які проводяться через канал. Ступінь селективності визначається стереометрії білкової молекули і зарядом амінокислотних залишків. Іонна пора має розмір, суворо відповідний проведеного іону з урахуванням гідратної оболонки. Разом з тим ступінь вибірковості іонної пори не абсолютна, через натрієвий канал можуть слідувати, хоч і значно гірше, і близькі по заряду і величиною іони натрію.
В останні роки в експериментах з'ясувалося, що селективний фільтр має незмінної структурою, не здатною змінювати просвіт в різних умовах. Переходи каналу з відкритого стану в закрите і назад пов'язані з роботою не селективного фільтра, а ворітної механізму. Під воротних процесами, що відбуваються в тій частині іонного каналу, яка називається «воротами», розуміють такі зміни конформації білкових молекул, що утворюють канал, в результаті яких його пора може стискатися або розширюватися. У першому випадку «ворота» закриті, а в другому - відкриті. Отже, «воротами» прийнято називати ті функціональні групи білкових молекул, які забезпечують Воротні процеси. Важливо, що «ворота» наводяться в рух фізіологічними стимулами, тобто такими, які присутні в природних умовах. Серед фізіологічних стимулів особливу роль грають зрушення мембранного потенціалу,, що й зумовлює активацію потенціалзалежні іонних каналів.
Твердо встановлено, що генерація ПД забезпечується тільки потенціалзалежні іонними каналами. У їх структурі виділена ділянка, що несе заряд і здатний виступати сенсором напруги.
Сенсор напруги натрієвого каналу здатний реагувати на зсув мембранного потенціалу від рівня потенціалу спокою (приблизно -90 мВ) до -55 мВ, тобто поріг активації (переклад каналу із закритого у відкрите стан) становить близько 35 мВ.
Сучасна функціональна модель натрієвого потенціалзалежного каналу, описана у всіх підручниках, передбачає існування в ньому двох типів воріт, що працюють із зсувом фаз. Вони відрізняються інерційними властивостями. Більш рухливі (легені) названі m-воротами, більш інерційні (важкі) - h-воротами (використані літери m і h, що позначають константи в диференціальних рівняннях Ходжкіна та Хакслі, що описують іонні струми через мембрану). При потенціалі спокою m-Ворота відкриті, h-ворота закриті, і рух Na + по каналу неможливо. При деполяризації плазмолеми ворота обох типів приходять в рух, але в силу неоднаковою інерції m-Ворота встигають відкритися раніше, ніж закриються h-Ворота. У цю мить натрієвий канал відкритий повністю і Na + встигає протягом декількох мілісекунд увійти в клітку. Це і є фаза деполяризації. Реполяризації починається після закриття важких h-воріт, тобто після припинення потоку натрію, і обумовлена активністю калієвих каналів.
Потенціалзалежні калієві канали забезпечують реполяризацію мембрани, представлені більш ніж п'ятьма типами, присутні не тільки в плазмолемма, але і на внутрішньоклітинних мембранах. Активуються при деполяризації мембрани. Воротні процеси в калієвому каналі дуже інертні. Він відкривається приблизно в 10 разів повільніше, ніж закриваються h-Ворота натрієвого каналу.
Потенціалзалежні калієві канали аксолемми володіють більш високою селективністю у порівнянні з натрієвими ворота калієвих каналів. Останній процес вносить свій внесок у відновлення вихідного ПП, тобто в реполяризацію.
Кальцієві канали. Набагато більшу різноманітність в порівнянні з натрієвими і калієвими притаманне кальцієвим каналах. Серед них є багато потенціалнезавісімих (ліганд-або рецептор-керованих) і, принаймні, чотири типи (тільки у ссавців) потенціалзалежні кальцієвих каналів: L, T, N, Р.
Наприклад, кальцієвий канал L-типу (від англ. Long-lasting - довгоживучий, у відкритому активованому стані перебуває близько 500 мс) дуже часто є в клітинах ссавців. Ворітної його механізм також складається з двох складових, що позначаються як d (легкі ворота) і f (важкі).
Для приведення в рух воріт кальцієвих каналів L-типу потрібно більший зсув мембранного потенціалу, ніж для натрієвих. У кардіоміоциті, що має потенціал спокою близько -90 мВ, для відкриття натрієвого каналу потрібно зсув мембранного потенціалу до -55 мВ, а для активації кальцієвого каналу ще додатково до-35 мВ. Потенціалзалежні кальцієві канали відкриваються при зсуві мембранного потенціалу тільки в фосфорильованій стані, при гідролізі АТФ.
У різних мембранах є також, часто зовсім не збігається з іншими клітинами, репертуар потенціалзалежні іонних каналів. У мембрані гігантського кальмара аксона присутні головним чином натрієві і калієві канали. У антисарколемальних поперечно-смугастого м'язового волокна вони доповнюються популяцією кальцієвих каналів. Кальцієвих каналів значно більше в плазмолемма кардиомиоцита, а в мембрані гладкі м'язи вони взагалі переважають. Співвідношенням каналів різних типів у плазматичної мембрани тієї чи іншої клітини визначаються параметри генерованих ними потенціалів дії. Однак головне, що визначає наявність в плазмалемма потенціалзалежні каналів - віднесення володіють ними клітин до категорії електрозбудження. Останні міркування дозволяють уточнити поняття збудливості.
Усі клітинні мембрани ділять на збудливі (електрогенние) і невозбудимой (неелектрогенние). Невозбудимой мембрани здатні генерувати тільки потенціали спокою, в той час як збудливі і ПП, і ПД. Зазначене різниця зумовлена присутністю в збудливих мембранах потенціалзалежні іонних каналів. У невозбудимой мембранах знаходяться тільки потенціалнезавісімие іонні канали.
У фізіології властивість збудливості не обмежують мембранами, а поширюють на тканині, підрозділяючи їх на збудливі і невозбудимой.
Можна вважати збудливими такі тканини, клітинні структури яких мають збудливими мембранами (визначення В. О. Самойлова).
До них відносять залізисту, нервову і м'язову тканини. Тільки в них під дією подразників виникають ПД, які супроводжують цілий комплекс інших процесів, також розвиваються у відповідь на стимуляцію.
Здатність збудливої тканини змінювати свої властивості або стан під дією подразників називають збудливістю. Її кількісною мірою служить інтенсивність порогового подразника, тобто самого слабкого стимулу, у відповідь на який виникає ПД, а слідом за ним і специфічна реакція. Чим нижче поріг, тим вище збудливість. Отже, між порогом і збудливістю є обернено пропорційна залежність.
Викликати збудження клітин можна, застосувавши електричні стимули. Якщо один електрод помістити всередину клітини, а інший зовні, і пропускати через цитоплазму струм, можна зміщати рівень мембранного потенціалу і добитися поява потенціалу дії, або (синонім) нервового імпульсу, за тієї умови, що струм буде незвичайним, тобто негативний електрод (катод) повинен бути в інтерстиції, а анод-в цитоплазмі.
Значення мембранного потенціалу, при якому починається різкий вхід в клітку іонів Na +, і розвивається деполяризація мембрани, носить назву критичний рівень деполяризації (КУД), а величина зміщення потенціалу, достатня для досягнення КУД - порогової величиною, або порогом.
Всі електричні реакції клітини можна грубо розділити на ті, реакція яких не залежить від сили діючого подразника і ті, які пропорційні силі чинного стимулу. Останні носять назву градуальний (покрокових, приклад-локальний відповідь), в той час як перші - неградуальних (потенціал дії). Градуальная характерна тим клітинам, або тим процесам в клітинах, при яких не відбувається активація потенціалзалежні каналів. Тому поняття градуального застосовне для всіх невозбудимой клітин і тканин (у них взагалі немає потенціалзалежні іонних каналів), і збудливих в тому випадку, якщо всі зміни мембранного потенціалу не досягають КУД (всі види гіперполяризації і допороговая деполяризація).
Застосування спарених стимулів для роздратування клітини або нервового волокна дозволяє визначити й інші важливі характеристики збудливості клітин. Якщо не закінчилося повністю розвиток попереднього потенціалу дії, другий стимул може не викликати наступний ПД. Період невозбудімості після попереднього потенціалу дії називається рефрактерністю.
Абсолютна рефрактерність - повна невозбудимой клітини-обумовлена тим, що в цю фазу всі потенціал-залежні натрієві канали вже «зайняті» проведенням натрієвого іонного струму всередину клітини і нових провідних пір в мембрані відкрити немає можливості через їх відсутність. Абсолютна рефрактерність (1-5 мс для нерва, близько 300 мс для серцевого м'яза) триває весь період розвитку висхідної фази потенціалу дії.
Якщо повторний стимул докласти до клітки трохи пізніше, коли вже почнеться реполяризації, на задньому фронті потенціалу дії, в період закриття h-воріт натрієвих каналів, ПД може з'явитися, але при більш високому значенні стимулюючого струму. Ця фаза називається відносної рефрактерністю.
Тривалість рефрактерних фаз зумовлена різною инерционностью потенціалзалежні іонних каналів. У тих клітинах, в яких мембрани забезпечені швидкими натрієвими каналами, рефрактерний період найменший, одиниці мілісекунд. Збудження клітин, мембрани яких мають повільні кальцієві канали (зокрема, в гладких м'язах), демонструє тривалі рефрактерні фази, до секунд. У мембрані кардіоміоцитів є натрієві і кальцієві канали, тому рефрактерність міокарда середня по тривалості, до 300 мс. Остання обставина визначає частоту серцевих скорочень і функціонування міокарда як єдиного освіти.
Після закінчення фази реполяризації в клітині можуть спостерігатися слідові процеси - слідова деполяризація і слідова гіперполяризація.
При слідової деполяризації збудливість підвищена, що стало підставою для введення поняття супернормальность, або екзальтація. ПП в цей час наближений до КУД, що відбивається у зменшенні порогу збудження. Навпаки, при слідової гіпреполярізаціі возбудімосчть знижена, ПП далі від КУД, фаза субнормального.
Натрієва і калієва провідність мембрани зумовлює проведення потенціалів дії з мембран аксонів. При передачі сигналів по дендрита і сомі нервових клітин, або по м'язових клітин, велику роль грає проведення через мембрану іонів Са + +.
Рефрактерність і слідові процеси визначають лабільність збудливої тканини. Вона визначається здатністю нерва передавати певну максимальну частоту потенціалів дії, без спотворення (трансформації ритму). Частота імпульсів визначається швидкістю змін іонної проникності, яка, у свою чергу, залежить від тривалості реактивації потенціалзалежні каналів (в аксонах - натрієвих, в міоцитах - натрієвих та кальцієвих).
Найбільша лабільність може бути не вище 1000 Гц, оскільки цій частоті відповідає тривалість окремих наступних один за одним імпульсів близько 1 мс.
ЛІТЕРАТУРА
1. Сівоглазов В.І. Анатомія та фізіологія людини: Навчальний посібник для студентів мед. вузів. - 2-е вид., Стереотип. - М.: Видавничий центр «Академія», 2003. - 448 стор
2. Фарбер А.А. Вікова фізіологія і шкільна гігієна: Посібник для студентів мед. вузів. / А. Г. Хрипкова, М. В. Антропова, А. А. Фарбер. - М.: Просвещение, 2000. - 319 стор
3. Леках В.А Ключ до розуміння фізіології М.: ВЦ «Академія», 2006. - 448 стор
4. Ткаченко Б. І. Нормальна фізіологія людини М: ЕКМОС, 2005
2.Наличие електрохімічного градієнта (створюється сумою концентрацій заряджених частинок і властивостями іонних каналів роз'єднувати катіони і аніони по обидві сторони мембрани).
3.Налічіе відповідних каналів у відкритому стані.
При потенціалі спокою внутрішня сторона клітинної мембрани має заряд, знак якого (заперечність) визначається наявністю в цитоплазмі органічних аніонів (білків та амінокислот), нездатних проникати через іонні канали, і дефіцитом їх протиіонів - катіонів калію, здатних проникати через калієві іонні канали, внаслідок чого в клітці створюється надлишок негативних іонів, а в інтерстиції-надлишок позитивного заряду. Величину негативного заряду в клітці і позитивного заряду в міжклітинному просторі вдається передбачати математично, але тільки для відносно простих випадків, наприклад, для гігантського аксона кальмара.
Величина потенціалу спокою описується з відомим наближенням рівнянням постійного поля, запропонованим Ходжкіна, Гольдманом і Кацем.
Vм = RT / zFln {(pk [K +] о + pNa [Na +] o + pCl [Cl-] i) / (pk [K +] i + pNa [Na +] i + pCl [Cl-] i)}
Не слід плутати поняття мембранний потенціал, рівноважний потенціал і потенціал спокою.
Мембранний потенціал задається сумою діють по обидві сторони мембрани зарядів, визначальною здатність певних іонів проникати через іонні канали.
Рівноважний потенціал - це такий потенціал плазмолеми клітини, при якому сумарний струм певного іона через мембрану дорівнює нулю, незважаючи на можливість окремих іонів проникати через відкриті канали в обмін на такі ж іони, які прямують у протилежному напрямку. Визначається рівнянням Нернста.
Рівноважний потенціал для іона калію
Ек = RT / ZF ln ([K +] o / [K +] i)
Джерелом електромагнітної енергії в будь-якій клітці служить концентраційний елемент, утворений розчинами солей, які нерівноважної розподілені між цитоплазмою і межклетогной рідиною, розділеними плазматичною мембраною, яка має неоднаковою проникністю для катіонів та аніонів, на які дисоціюють ці солі (визначення В. О. Самойлова)
З іншого боку, порівняння ПП і рівноважного потенціалу для конкретного іона дозволяє зрозуміти і передбачити, куди буде переміщатися цей іон при даному ПП і його зміну (конкретному мембранному потенціалі).
Струм іона натрію
iNa = gNa (Vm-ENa)
Розрахунки показують, що рівноважний потенціал при фізіологічних значеннях концентрацій іонів по обидві сторони плазматичної мембрани для найважливіших електрогенних іонів в більшості клітин приблизно відповідають
Єк =- 75 мВ
ЕNa = +55 мВ
ЕCa = +150 мВ
ЕCl =- 80 мВ
У стані спокою величина мембранного потенціалу приблизно на 50% залежить від розподілу щодо мембрани іонів К +. З точки зору біофізики це означає, що рівноважний калієвий потенціал Ек по своїй величині і знаку ближче всього відповідає мембранному ПП. Разом з тим свій внесок у ПП різних збудливих клітин вносить натрієва і хлорне провідність, а також Na +-K + іонний насос.
Функції мембранного потенціалу спокою:
1. Поляризація мембрани є умовою для збудження і гальмування.
2.Полярізація визначає обсяг виділення медіатора з пресинаптичного закінчення.
3. ПП створює умови для знаходження потенціалзалежні каналів в закритому стані (поляризація мембрани створює умови для формування потенціалу дії).
Механізми потенціалу дії
При генерації потенціалу дії (ПД) вирішальний внесок у цей процес вносить потік іонів натрію (в гігантському аксоні кальмара) або натрію і кальцію (в нейронах і кардіоміоцитах, гладких міоцитах), спрямований усередину клітини.
Методом фіксації мембранного потенціалу вдалося виміряти струми, поточні через плазмолемма аксона (аксолемму) кальмара і переконатися в тому, що в спокої струм катіонів (К +) направлений з цитоплазми в интерстиций, а при порушенні домінує струм катіонів (Na +) в клітку. У стані «спокою» плазмолемма майже непроникна для іонів, що знаходяться в міжклітинному просторі (Na + С1-і НСОЗ-,).
При порушенні проникність для іонів натрію на час, рівний декількох мілісекунд, різко зростає, а потім знову падає. У результаті катіони (іони Na +) та аніони (С1-, НСОЗ) разобщаются на плазмолемма: Na + входить в цитоплазму, а аніони немає. Потік позитивних зарядів в цитоплазму не тільки компенсує потенціал спокою, але й перевищує його. Виникає так званий «овершут» (або інверсія мембранного потенціалу). Вхідний потік натрію - результат його пасивного руху по відкрилися мембранним каналах по концентраційному і електричному градієнтам. Вихід потік цього катіона забезпечується калій-натрієвої помпою.
За даними підручника В. О. Самойлова, в аксолемме активність Na-K-активованої АТФази досить висока. Так, на 1 мкм2 мембрани нервового волокна, що входить до складу блукаючого нерва кролика, доводиться близько 750 молекул цього ферменту. У спокої зустрічні потоки натрію врівноважені, тоді як при порушенні (протягом існування ПД) система активного транспорту натрію виявляється нездатною моментально компенсувати різке посилення вхідного потоку. Вона робить це з деяким запізненням. Зі сказаного випливає, що мембранні потенціали (ПП і ПД) є не рівноважними, а стаціонарними, оскільки підтримуються в умовах існування зустрічних іонних потоків через плазматичну мембрану. Зрушення мембранного потенціалу пов'язані з порушенням встановленого стаціонарного режиму, причому порушення супроводжується посиленням і входить, і виходить потоків натрію. Значить, збудження не вимикає систему активного транспорту натрію, а, навпаки, активізує її. Однак навіть при максимальній активізації калій-натрієва помпа не може перешкодити короткочасного накопичення невеликої кількості Na + в цитоплазмі.
Але в досвіді було зафіксовано і інше. Після короткочасного підвищення натрієвої провідності величина мембранного потенціалу досить швидко відновлюється на рівні потенціалу спокою. Виявилося, що в цьому процесі істотна роль калієвих каналів, які забезпечують реполяризацію мембрани за рахунок виходу з клітини якоїсь кількості іонів К + як носіїв позитивного заряду. У різних збудливих тканинах механізм потенціалу дії забезпечується внеском та інших катіонів, зокрема, кальцію. ПД міоцитів пов'язаний із вхідним в цитоплазму з інтерстицію потоком не тільки Na + -, а й Са + +. У скелетних м'язах внесок Са + + в ПД невеликий, в міокарді він більше, а в гладких м'язах домінує.
Підвищення проникності мембрани для позаклітинних катіонів, що веде до генерації потенціалу дії, забезпечується існуванням потенціал-залежних іонних каналів.
Потенціалзалежні натрієві канали в плазматичних мембранах різних клітин представлені декількома типами. Це білкова молекула масою близько 230 кДа, що складається з 4 субодиниць та домену, що несе сильний позитивний заряд.
У структурі іонного каналу виділяють два основних функціональних елементи - селективний фільтр і ворітної механізм (ворота).
Селективний фільтр каналу призначений для захвату лише тих іонів, які проводяться через канал. Ступінь селективності визначається стереометрії білкової молекули і зарядом амінокислотних залишків. Іонна пора має розмір, суворо відповідний проведеного іону з урахуванням гідратної оболонки. Разом з тим ступінь вибірковості іонної пори не абсолютна, через натрієвий канал можуть слідувати, хоч і значно гірше, і близькі по заряду і величиною іони натрію.
В останні роки в експериментах з'ясувалося, що селективний фільтр має незмінної структурою, не здатною змінювати просвіт в різних умовах. Переходи каналу з відкритого стану в закрите і назад пов'язані з роботою не селективного фільтра, а ворітної механізму. Під воротних процесами, що відбуваються в тій частині іонного каналу, яка називається «воротами», розуміють такі зміни конформації білкових молекул, що утворюють канал, в результаті яких його пора може стискатися або розширюватися. У першому випадку «ворота» закриті, а в другому - відкриті. Отже, «воротами» прийнято називати ті функціональні групи білкових молекул, які забезпечують Воротні процеси. Важливо, що «ворота» наводяться в рух фізіологічними стимулами, тобто такими, які присутні в природних умовах. Серед фізіологічних стимулів особливу роль грають зрушення мембранного потенціалу,, що й зумовлює активацію потенціалзалежні іонних каналів.
Твердо встановлено, що генерація ПД забезпечується тільки потенціалзалежні іонними каналами. У їх структурі виділена ділянка, що несе заряд і здатний виступати сенсором напруги.
Сенсор напруги натрієвого каналу здатний реагувати на зсув мембранного потенціалу від рівня потенціалу спокою (приблизно -90 мВ) до -55 мВ, тобто поріг активації (переклад каналу із закритого у відкрите стан) становить близько 35 мВ.
Сучасна функціональна модель натрієвого потенціалзалежного каналу, описана у всіх підручниках, передбачає існування в ньому двох типів воріт, що працюють із зсувом фаз. Вони відрізняються інерційними властивостями. Більш рухливі (легені) названі m-воротами, більш інерційні (важкі) - h-воротами (використані літери m і h, що позначають константи в диференціальних рівняннях Ходжкіна та Хакслі, що описують іонні струми через мембрану). При потенціалі спокою m-Ворота відкриті, h-ворота закриті, і рух Na + по каналу неможливо. При деполяризації плазмолеми ворота обох типів приходять в рух, але в силу неоднаковою інерції m-Ворота встигають відкритися раніше, ніж закриються h-Ворота. У цю мить натрієвий канал відкритий повністю і Na + встигає протягом декількох мілісекунд увійти в клітку. Це і є фаза деполяризації. Реполяризації починається після закриття важких h-воріт, тобто після припинення потоку натрію, і обумовлена активністю калієвих каналів.
Потенціалзалежні калієві канали забезпечують реполяризацію мембрани, представлені більш ніж п'ятьма типами, присутні не тільки в плазмолемма, але і на внутрішньоклітинних мембранах. Активуються при деполяризації мембрани. Воротні процеси в калієвому каналі дуже інертні. Він відкривається приблизно в 10 разів повільніше, ніж закриваються h-Ворота натрієвого каналу.
Потенціалзалежні калієві канали аксолемми володіють більш високою селективністю у порівнянні з натрієвими ворота калієвих каналів. Останній процес вносить свій внесок у відновлення вихідного ПП, тобто в реполяризацію.
Кальцієві канали. Набагато більшу різноманітність в порівнянні з натрієвими і калієвими притаманне кальцієвим каналах. Серед них є багато потенціалнезавісімих (ліганд-або рецептор-керованих) і, принаймні, чотири типи (тільки у ссавців) потенціалзалежні кальцієвих каналів: L, T, N, Р.
Наприклад, кальцієвий канал L-типу (від англ. Long-lasting - довгоживучий, у відкритому активованому стані перебуває близько 500 мс) дуже часто є в клітинах ссавців. Ворітної його механізм також складається з двох складових, що позначаються як d (легкі ворота) і f (важкі).
Для приведення в рух воріт кальцієвих каналів L-типу потрібно більший зсув мембранного потенціалу, ніж для натрієвих. У кардіоміоциті, що має потенціал спокою близько -90 мВ, для відкриття натрієвого каналу потрібно зсув мембранного потенціалу до -55 мВ, а для активації кальцієвого каналу ще додатково до-35 мВ. Потенціалзалежні кальцієві канали відкриваються при зсуві мембранного потенціалу тільки в фосфорильованій стані, при гідролізі АТФ.
У різних мембранах є також, часто зовсім не збігається з іншими клітинами, репертуар потенціалзалежні іонних каналів. У мембрані гігантського кальмара аксона присутні головним чином натрієві і калієві канали. У антисарколемальних поперечно-смугастого м'язового волокна вони доповнюються популяцією кальцієвих каналів. Кальцієвих каналів значно більше в плазмолемма кардиомиоцита, а в мембрані гладкі м'язи вони взагалі переважають. Співвідношенням каналів різних типів у плазматичної мембрани тієї чи іншої клітини визначаються параметри генерованих ними потенціалів дії. Однак головне, що визначає наявність в плазмалемма потенціалзалежні каналів - віднесення володіють ними клітин до категорії електрозбудження. Останні міркування дозволяють уточнити поняття збудливості.
Усі клітинні мембрани ділять на збудливі (електрогенние) і невозбудимой (неелектрогенние). Невозбудимой мембрани здатні генерувати тільки потенціали спокою, в той час як збудливі і ПП, і ПД. Зазначене різниця зумовлена присутністю в збудливих мембранах потенціалзалежні іонних каналів. У невозбудимой мембранах знаходяться тільки потенціалнезавісімие іонні канали.
У фізіології властивість збудливості не обмежують мембранами, а поширюють на тканині, підрозділяючи їх на збудливі і невозбудимой.
Можна вважати збудливими такі тканини, клітинні структури яких мають збудливими мембранами (визначення В. О. Самойлова).
До них відносять залізисту, нервову і м'язову тканини. Тільки в них під дією подразників виникають ПД, які супроводжують цілий комплекс інших процесів, також розвиваються у відповідь на стимуляцію.
Здатність збудливої тканини змінювати свої властивості або стан під дією подразників називають збудливістю. Її кількісною мірою служить інтенсивність порогового подразника, тобто самого слабкого стимулу, у відповідь на який виникає ПД, а слідом за ним і специфічна реакція. Чим нижче поріг, тим вище збудливість. Отже, між порогом і збудливістю є обернено пропорційна залежність.
Викликати збудження клітин можна, застосувавши електричні стимули. Якщо один електрод помістити всередину клітини, а інший зовні, і пропускати через цитоплазму струм, можна зміщати рівень мембранного потенціалу і добитися поява потенціалу дії, або (синонім) нервового імпульсу, за тієї умови, що струм буде незвичайним, тобто негативний електрод (катод) повинен бути в інтерстиції, а анод-в цитоплазмі.
Значення мембранного потенціалу, при якому починається різкий вхід в клітку іонів Na +, і розвивається деполяризація мембрани, носить назву критичний рівень деполяризації (КУД), а величина зміщення потенціалу, достатня для досягнення КУД - порогової величиною, або порогом.
Всі електричні реакції клітини можна грубо розділити на ті, реакція яких не залежить від сили діючого подразника і ті, які пропорційні силі чинного стимулу. Останні носять назву градуальний (покрокових, приклад-локальний відповідь), в той час як перші - неградуальних (потенціал дії). Градуальная характерна тим клітинам, або тим процесам в клітинах, при яких не відбувається активація потенціалзалежні каналів. Тому поняття градуального застосовне для всіх невозбудимой клітин і тканин (у них взагалі немає потенціалзалежні іонних каналів), і збудливих в тому випадку, якщо всі зміни мембранного потенціалу не досягають КУД (всі види гіперполяризації і допороговая деполяризація).
Застосування спарених стимулів для роздратування клітини або нервового волокна дозволяє визначити й інші важливі характеристики збудливості клітин. Якщо не закінчилося повністю розвиток попереднього потенціалу дії, другий стимул може не викликати наступний ПД. Період невозбудімості після попереднього потенціалу дії називається рефрактерністю.
Абсолютна рефрактерність - повна невозбудимой клітини-обумовлена тим, що в цю фазу всі потенціал-залежні натрієві канали вже «зайняті» проведенням натрієвого іонного струму всередину клітини і нових провідних пір в мембрані відкрити немає можливості через їх відсутність. Абсолютна рефрактерність (1-5 мс для нерва, близько 300 мс для серцевого м'яза) триває весь період розвитку висхідної фази потенціалу дії.
Якщо повторний стимул докласти до клітки трохи пізніше, коли вже почнеться реполяризації, на задньому фронті потенціалу дії, в період закриття h-воріт натрієвих каналів, ПД може з'явитися, але при більш високому значенні стимулюючого струму. Ця фаза називається відносної рефрактерністю.
Тривалість рефрактерних фаз зумовлена різною инерционностью потенціалзалежні іонних каналів. У тих клітинах, в яких мембрани забезпечені швидкими натрієвими каналами, рефрактерний період найменший, одиниці мілісекунд. Збудження клітин, мембрани яких мають повільні кальцієві канали (зокрема, в гладких м'язах), демонструє тривалі рефрактерні фази, до секунд. У мембрані кардіоміоцитів є натрієві і кальцієві канали, тому рефрактерність міокарда середня по тривалості, до 300 мс. Остання обставина визначає частоту серцевих скорочень і функціонування міокарда як єдиного освіти.
Після закінчення фази реполяризації в клітині можуть спостерігатися слідові процеси - слідова деполяризація і слідова гіперполяризація.
При слідової деполяризації збудливість підвищена, що стало підставою для введення поняття супернормальность, або екзальтація. ПП в цей час наближений до КУД, що відбивається у зменшенні порогу збудження. Навпаки, при слідової гіпреполярізаціі возбудімосчть знижена, ПП далі від КУД, фаза субнормального.
Натрієва і калієва провідність мембрани зумовлює проведення потенціалів дії з мембран аксонів. При передачі сигналів по дендрита і сомі нервових клітин, або по м'язових клітин, велику роль грає проведення через мембрану іонів Са + +.
Рефрактерність і слідові процеси визначають лабільність збудливої тканини. Вона визначається здатністю нерва передавати певну максимальну частоту потенціалів дії, без спотворення (трансформації ритму). Частота імпульсів визначається швидкістю змін іонної проникності, яка, у свою чергу, залежить від тривалості реактивації потенціалзалежні каналів (в аксонах - натрієвих, в міоцитах - натрієвих та кальцієвих).
Найбільша лабільність може бути не вище 1000 Гц, оскільки цій частоті відповідає тривалість окремих наступних один за одним імпульсів близько 1 мс.
ЛІТЕРАТУРА
1. Сівоглазов В.І. Анатомія та фізіологія людини: Навчальний посібник для студентів мед. вузів. - 2-е вид., Стереотип. - М.: Видавничий центр «Академія», 2003. - 448 стор
2. Фарбер А.А. Вікова фізіологія і шкільна гігієна: Посібник для студентів мед. вузів. / А. Г. Хрипкова, М. В. Антропова, А. А. Фарбер. - М.: Просвещение, 2000. - 319 стор
3. Леках В.А Ключ до розуміння фізіології М.: ВЦ «Академія», 2006. - 448 стор
4. Ткаченко Б. І. Нормальна фізіологія людини М: ЕКМОС, 2005