Роль кальцію в порушенні клітини

Кальцієві потенціали дії

У мембрані нервів і м'язових волокон міститься велика кількість потенціалзалежні кальцієвих каналів. Кальцій, що входить у клітину через ці канали під час потенціалу дії, впливає на самі різні процеси. Приміром, короткочасне збільшення рівня кальцію в ході потенціалу дії викликає секрецію як секрецію хімічних медіаторів у нервовому закінченні, так і скорочення м'язового волокна.
У деяких м'язових волокнах і нейронах кальцієві струми досягають такої величини, що або вносять значний внесок, або повністю формують фазу зростання потенціалу дії. Процес цей носить регенеративний характер завдяки зростанню g _Са при деполяризації, точно такого, як у натрієвих каналів (див. вище). Участь кальцієвих каналів в потенціалі дії було вперше вивчено Фаттах і Гінзборгом, а згодом Хагіварі. Кальцієві потенціали дії описані в серцевому м'язі, в цілому ряді нейронів безхребетних, а також у нейронах вегетативної і центральної нервової системи хребетних ^60). Наявність кальцієвих потенціалів дії також показано в ненейрональних типах клітин, таких як ряд ендокринних клітин і деяких яйцеклітинах безхребетних. Потенціалзалежні кальцієві струми блокуються в міллімолярних концентраціях кобальтом, магнієм або кадмієм, доданим у позаклітинний розчин.
Барій може замінити кальцій в проходженні через пору каналу; магній на це не здатний. Вражаючим прикладом співіснування натрієвих та кальцієвих потенціалів дії в одному типі клітин є клітина Пуркіньє в мозочку ссавців. Натрієві потенціали дії генеруються в тілі клітини Пуркіньє, в той час як кальцієві - у дендритах.

Іони кальцію і збудливість

Іони кальцію впливають також на збудливість мембрани: зниження позаклітинної концентрації кальцію призводить до збільшення збудливості; підвищення позаклітинного рівня кальцію, навпаки, тягне за собою зниження збудливості. Франкенхаузер і Ходжкін використовували метод фіксації потенціалу для дослідження цих ефектів в аксоні кальмара. Вони виявили, що при зниженні позаклітинної концентрації кальцію відбувається зсув потенціалу залежно активації натрієвих каналів таким чином, що для досягнення порогу і генерації натрієвого струму нормальної величини були потрібні менші рівні деполяризації. Зниження рівня необхідної деполяризації було постійним у всьому діапазоні збудливості і залежало від концентрації кальцію. П'ятикратне підвищення позаклітинного рівня кальцію призводило до зниження порогового рівня деполяризації на 10 - 15 м В.
Франкенхаузер і Ходжкін припустили, що цей ефект може бути обумовлений тим, що іони кальцію частково затуляють (або екранують) негативні заряди, розташовані на зовнішній поверхні мембрани. Подібна дія на мембрану може надати, наприклад, гліколізація мембранних білків послідовностями вуглеводів, що містять негативно заряджену сіалових кислот. Натрієвий канал ската сам по собі має більш ніж 100 залишками сиаловой кислоти. За умови закрита зарядів градієнт потенціалу на мембрані буде дорівнює вимірюваному потенціалу спокою. Після усунення кальцію, заряди, позбавлені екранування, збільшать негативний заряд на зовнішній стороні мембрани, тим самим знижуючи загальний електричний градієнт. Ця гіпотеза вносить новий ракурс у розуміння мембранного потенціалу: різниця потенціалів між внутрішньо-і позаклітинним розчинами визначається поза-і внутрішньоклітинної концентраціями іонів, а також проводимостями. Однак, форма градієнта потенціалу може залежати від заряджених молекул, пов'язаних з поверхнею мембрани. Для потенціалчувствітельних елементів мембрани цей ефект буде мати величезне значення, оскільки вони розпізнають лише ті градієнти потенціалу, які знаходяться в безпосередній близькості від них.
Одна з проблем з гіпотезою поверхневого заряду полягає в тому, що видалення позаклітинного кальцію повинно вплинути не тільки на активацію, але і на інактивацію натрієвих каналів, а також на активацію калієвих. Зниження порогу натрієвої інактивації і калієвої активації призведе тоді до зниження збудливості. У силу невідомих причин, вплив усунення кальцію на ці параметри набагато менш виражено, ніж вплив на активацію натрієвих каналів. Можливо, це й не дивно, що локальні зміни електричного градієнта роблять настільки різний вплив на різні молекули каналу, або навіть на різні ділянки однієї і тієї ж молекули, залежно від розташування потенціалчувствітельного елемента щодо поверхневих зарядів. Якими б не були причини цих відмінностей, загальний ефект кальцію полягає в стабілізації мембрани і внесення додаткового ступеня надійності при варіюванні рівня потенціалу мембрани між спокоєм і порогом для потенціалу дії.

Внесок відкритих калієвих каналів у реполяризацію

Крім випрямляча із затримкою, в нейронах є цілий ряд інших типів калієвих каналів деякі з яких беруть участь у реполяризації мембрани. Один з таких каналів - це Α-канал, швидко активується в результаті деполяризації. Внесок Α-каналів в реполяризацію в ході потенціалу дії мінімальний з двох причин: вони швидко інактивуються, і в більшості клітин активація цього типу каналів можлива лише за умови попередньої гіперполяризації (тобто вони інактивовані в стані спокою). Два інших типи потенціалзалежні калієвих каналів, М-канал і S-канал, схожі на випрямляч з затримкою тим, що відкриваються у відповідь на деполяризацію. Додаткове властивість М-каналів полягає в тому, що вони інактивуються ацетилхоліном через мускаринові АХ рецептори (звідси назва). S-канали відкриті в спокої і інактивуються серотонін.
Кальцій-актівіруемие калієві канали також можуть робити внесок у реполяризацію. У ході потенціалу дії кальцій входить у клітину через потенціалзалежні кальцієві канали. У багатьох типах клітин таке підвищення рівня кальцію сприяє збільшенню калієвої провідності, яка сприяє реполяризації і призводить до подальшої гіперполяризації. Існує як мінімум три підтипи кальцій-активованих калієвих каналів, з дуже великим (200 ПСМ), середнім (30 ПСМ) і малим (10 ПСМ) рівнями провідності. Наявність цих каналів можна продемонструвати експериментально за допомогою підвищення рівня кальцію всередині клітини, наприклад, шляхом ін'єкції через внутрішньоклітинну мікропіпетку. Слідом за такий ін'єкцією провідність мембрани різко зростає і мембранний потенціал спокою наближається до калієвому рівноважного потенціалу. У міру усунення надлишків кальцію з цитоплазми за рахунок внутрішньоклітинних буферів і викиду кальцію з клітини, опір і потенціал повертаються до свого нормального рівня. Існує також тип калієвих каналів, що активується внутрішньоклітинним натрієм. У деяких клітинах активація таких каналів може вносити внесок у реполяризацію в ході потенціалу дії

Властивості каналу, пов'язані з потенціалом дії

У ході експериментів методом Петч-кламп на щурячих м'язових волокнах в культурі, провідність потенціалзалежні натрієвих каналів була виміряна безпосередньо і склала 20 ПСМ (рис. 1); подібні вимірювання в мотонейронах щури виявили провідність величиною 14 ПСМ. Щільність натрієвих каналів була виміряна в ряді тканин методом дослідження щільності місць зв'язування ТТХ. Використовуючи мічений тритієм тетродотоксин, Левінсон і Мевес визначили, що на один квадратний мікрометр мембрани аксона кальмара припадає приблизно 553 місця зв'язування молекули токсину. Цифри, отримані в інших тканинах, варіюють від 2 молекул на мкм ² в оптичному нерві новонароджених щурят до 2 000 у перехопленні Ранвье сідничного нерва кролика. Щільність натрієвих каналів у скелетному м'язі була виміряна методом локальної деполяризації невеликої ділянки мембрани за допомогою позаклітинної піпетки при одночасному вимірі натрієвого струму, що протікає через цю ділянку мембрани. Результати варіювали від однієї ділянки до іншого, що вказує на нерівномірність розподілу каналів в мембрані. Щільність була найбільшою в районі кінцевої пластинки, знижувалася в міру віддалення від неї і досягала 10% від максимального рівня в міру наближення до сухожилля. Крім того, було показано, що натрієві канали в м'язі групуються у кластери.
Провідність калієвих каналів, відповідальних за пізню складову струму, була виміряна в препараті розкритого аксона кальмара. Канали типу «випрямляч з затримкою» володіють провідністю 10, 20 і 40 ПСМ, причому найбільш часто зустрічається канал з провідністю 20 ПСМ. Подібно натрієвих, калієві канали м'язи жаби розподілені не рівномірно, а кластерами. Тим не менш, патерни розташування кластерів натрієвих і калієвих каналів не збігаються між собою. Випрямлячі з затримкою повністю відсутні в перехоплення Ранвей міелінізірованние нерва кролика, оскільки у відповідь на деполяризацію пізній виходить струм не виникає. У ході потенціалу дії реполяризації після швидкої інактивації натрієвих каналів досягається за рахунок великого струму витоку.

Висновки

Потенціал дії в більшості клітин виникає за рахунок короткочасного зростання натрієвої провідності, яке прагне привести мембранний потенціал до рівня натрієвого рівноважного потенціалу і за яким слід збільшення калієвої провідності, що повертає мембрану в стан спокою.
Зростання провідностей виникає завдяки потенціалзалежне натрієвих і калієвих каналів: вірогідність їх відкриття зростає при деполяризації.
Експерименти на аксоні кальмара з фіксацією потенціалу надали детальну інформацію про потенціалзалежне та часовому ході змін провідностей. При деполяризації мембрани натрієва провідність спочатку швидко активується, а потім інактивується. Калієва провідність активується з затримкою і залишається на високому рівні до тих пір, поки не скінчиться деполяризація.
Тимчасової хід і потенціалзалежне змін натрієвих і калієвих провідностей у точності визначають амплітуду і часовий хід потенціалу дії, а також такі характеристики мембрани, як поріг активації і рефрактерний період.
Теоретично активація натрієвої і калієвої провідностей при деполяризації повинна бути пов'язана зі зміщенням заряду всередині клітини. Ці зміщення, звані воротних струмами, вдалося виміряти експериментально.
Експерименти з використанням методу Петч-кламп доповнили відомості, отримані в попередніх дослідах з фіксацією потенціалу, новими деталями про процес збудження. Так, наприклад, натрієві канали відкриваються на досить короткий час, і ймовірність їх відкриття в ході деполяризації спочатку зростає, а потім знижується, відповідно з активацією та інактивацією натрієвої провідності в цілій клітині. Різні кінетичні моделі були запропоновані з метою опису процесів активації та інактивації каналів.
Кальцій грає важливу роль в порушенні. У деяких клітинах саме вхід кальцію, а не натрію, відповідає за фазу зростання потенціалу дії. Крім того, позаклітинний рівень кальцію визначає збудливість мембрани. Зниження позаклітинної концентрації кальцію призводить до збільшення збудливості

Література
1. Фролов М.В., Милованова Г.Б. Електрофізіологічні перешкоди і контроль стану оператора.
2. Системні аспекти психічної діяльності. Під ред. Судакова К.В. та ін
3. Терлецький Н.А. Про користь і шкоду випромінювання для життя. (Relata Refero.)