Шмидт, Тевс (ред.) - Физиология человека - т.1 (Шмидт, Тевс (ред.) - Физиология человека - 1996), страница 14

С помощью локальной фиксации потенциала производили сдвиг потенциале длительностью 14 мс от — 80 до — 40 мВ (черная линия); нихге показаны мембранные токи, зарегистрированные при нескольких таких последовательных сдвигах потенциала. Во время деполяризации токи одиночного канала могут возникать е любой момент, причем длительность их варьирует. При объединении многих записей токов е условиях синхронизации скачков потенциала получаются суммарные кривые токов, показанные вверху красным (1гм и 1к). Временной ход 1„свидетельствует о том, что вероятность открывания На -каналов наиболее высока вскоре после скачка потенциала, а примерно через 1 мс зти каналы открываются асе реке и в конце концов инактиеируются.

Большая часть К'-каналов открывается с некоторой задержкой после скачка потенциала, затем средняя частота открываний остается на постоянном уровне е течение всего периода деполяризации потенциала покоя н отсутствие инактнвации (ср. рис. 2.б). Обнаружено по крайней мере шпь других тинов К+-каналов. Они различаются, например, соотношением между открыванием канала и потенциалом мембраны, характеристиками инактивацнн (см. рис. 2.25) илн же зависимостью не только от деполяризации, но и от внутриклеточной концентрации Сат+. Эти типы К+-каналов обнаружены в клетках различных тинов нлн частях клетки и присутствуют либо по отдельности, либо в виле определенных сочетаний. Именно разнообразие К "-каналов обусловливает вариации формы потенциалов действия, в также различную скорость реполярнзацин и особенностя следовых потенциалов (см. рис. 2.4).

Существует яркий контраст между многообразнем К+-каналов и одновременно Ха+-каналов, которые в возбудимых клетках животных всех типов быстро актнвируются деполяризацией, а затем быстро инахтивнруются. Токи через одиночные Сах+-каналы. До сих пор мы не упоминали о том, что при деполяризации клетки открываются также Са*+-каналы.

При этом возникает входяпауй кальциевый ток, который вместе с одновременно развивающимся Ха+-током обеспечивает деполяризацию мембраны. Концентрация свободных ионов Са+ в клетке очень низка (табл. 1. 1), так что равновесный потенциал для Саз+ более положителен, чем Ен„(гл. 1, уравнение 4, с. 13). В аксонной мембране яс, меньше по сравнению с я,ь, поэтому этой Величиной можно пренебречь при анализе потенциала действия (рис. 2.7). Однако в дендритах нейронов или в окончаниях аксонов (см.

с. б2) во время деполяризации яг, может возрастать, превышая янв. В миокарде и тем более в уладких мышцах повышение й бывает столь же велико, как и повышение я „а нноглл и более значительно. Такие входящие токи Са + представляют особый интерес из-за их влияния на внугрнклеточную концентрашпо Саз+, ГСВ' ~)п которая может возрастать с 1О ' до 1О в М; зто повышение ГСаз+1,. часто выполняет в клетке регулирутошие функции (см. с.

23 и рис. 1.16). Механизм открывания Сат+-каналов и последующие внутриклеточные процессы являются филогенетически очень древними — ови вьгявлены даже у простейших. ЧАСТЬ !. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ КЛЕТКИ Здесь от переходов между «Закрытым состоянием 2» н «Открытым состоянием» зависит длительность н частота индивидуальных открываний, а от переходов между «Закрытым состоянием 1» н «Закры- +юма е А«рена«ни -томе ам4~дМ7 $4))йВФУ4 1'* >00 ме Рис. 2.14.

А. Б. Токи одиночных кальциевых каналов в клетках миокарда. Вверху: деполяриэеция длительностью 800 мс от — 70 до +10 мВ, создаваемая методом локальной фиксации потенциала. Ниже представлены 4 записи токов одиночного канала. А В нормальных условиях деполяриэация в 301> случаев не вызывает токов через канал (записи не представлены). Внизу: суммарный ток, полученный путем усреднения многих индивидуальных записей токов одиночного канала: видна инактиаация Са"-тока после деполяризации. Б.

В присутствии 1 мкМ адренвлина группы открываний одиночного канапе становятся продолжительнее; прн этом деполяризации не вызывает открываний канала только в 2010. Адреналин не влияет на амплитуду токов одиночного канала. но амплитуда суммарного тока (внизу) значительно возрастает (по [32) с изменениями) Рис. 2.13. Модель состояний (Ча*-каналов. «Закрытое, способное к активации» состояние при деполяризации может преобразовываться в «открытое активированное> ипи «закрытое инактивированное> состояние. Когда канап находится в «открытом активнрованном» состоянии, стойкая деполяризация способствует переходу в «закрытое инактиеированное> состояние.

Возвращение канала в «закрытое, способное к активации> состояние может происходить только в результате реполяриэации. (Более реальная модель включает последовательно 3 «закрытых, способных к активации> и 4 «закрытых инактивированных> состояния [8).) Токи одвночвых Са '-каналов в лк«о«ярде (рнс. 2.14) характеризуются несколько более сложным по»сдвинем по сравнению с )Ча~- н К"-токамн, показанными на рнс.

2.12. Ио время серий деполярнзацнонных скачков потенциала примерно в 70% случаев возникают довольно длительные вспышки импульсов тока, каждый амплитудой около ! пА, а в 30% случаев канал остается закрытым. Инднвндуальные открывания во время вспышек продолжаются в среднем около ! мс.

а закрытые состояния между ними-только 0,2 мс. Суммарный Са'+-ток во время деполяризации (ннжнне запнсн на рнс. 2.14) быстро нарастает н ннактнвнруется с постоянной времени примерно 130 мс, прячем общий ток определяется длительностью н частотой вспьппек. Кинетику канала проще всего опнсать (в соответствнн с рнс. 2.13) следуюгцнм уравнением: Денна«анана* Закрытое состояние ! Закрытое состояние 2 — Открытое состояние (2) глава х пн едхчл ииеогмхпии посгвдством нозьужднния тым состоянием 2» — частота и длительность вспышек. Уравнение (2) требует дополнения. чтобы учесть инактивированное состояние, как гюказано на рис.

2.13 1321. Записи активности Сал'-канала на рис. 2.14 служат также примером модуляции активности канала гормоном или медиатором (см. с. 65). Адревалин, секретируемый корой надпочечников как «эрготропный гормон», поступает к сердцу с кровотоком; один нз его эффектов состоит в увеличении частоты сердечных сокращений. Кроме того. он высвобождается (вместе с норадреналином) в качестве медиатора из симпатических нервов сердца.

вызывая тот же эффект (с. 462). В эксперименте, результаты которого приведены на рнс. 2.14, Б, адреналин в концентрации 10» М апплицировали на клетку миокарда. После этого деполяризация вызвала примерно в 80% случаев активность одиночных Саз'-каналов с повышенной частотой вспышек. Кратковременные открывания н закрывания каналов были такими же, как раньше.

Суммарная кривая (рис. 2.14, Б. внизу) отчетливо показывает. что ядр«нилин увеличивал вход Ся~+. Такой же эффект можно вызвать перфузней клеток миокарда раствором с циклическим аденозвнмонофосфатом (цАМФ) нли применением каталнтической субъеднницы цАМФ- зависимой протеинкиназы (ПК-А). Эти наблюдения свицетелы:твуют, что адреналин действует здесь через второй посредник пАМФ, вызывая фосфорилирование ферментов каталитической субъединицей протеинкнназы (рис. !.15, с.

24) 1!9]. Таким образом, адреналин, по-видимому, увеличивает Саз+-ток путем инициации фосфорилирования Са -канала, которое способствует переходу из «Закрытого состояния !» в «Закрытое состояние 2». Эффект алреналина, представленный на рис. 2.14. может служить прототипом модуляции клеточной активности гормонами или медиаторами. В мембране, несомненно, существуют еще н СГ-каналы. Они изучены недостаточно подробно, поэтому рассматриваться здесь не будут. Молекулы )л!а'-канала.

Белки различных каналов очень сходны между собой по структуре и функциям; полагают, что все они происходят от Саз+- канала. Поскольку наиболее пцательно исследована молекула (Ча -канала, мы вновь обратимся к нему. )ча'-канал состоит из глякопротевна с молекулярной массой 300000. Недавно установлена его аминокислотная последовательность. Изолированные молекулы можно включить в искусственные липндные мембраны, где онн продолжают функционировать [83. Число имеющихся в мембране )л!а'- каналов можно определить путем «титрования» тетродотоксином, ко~орый связывается с этими каналами, или путем деления величины )л(а'-тока через мембрану площадью 1 мкмз на амплитуду тока одного канала.

Разные типы мембран содержат от 1 ло 50 каналов иа 1 мкмз. При плотности 50 каналов. мкм ' среднее расстояние между ними составляет около 140 нм. Если принять диаметр молекулы канала равным примерно 8 нм, а диаметр просвета канала, когда он открыт; около 0,5 нм, то оказывается, что каналы находятся друг от друга довольно далеко. В течение ! мс открытого сосгояния чергн один такой канал вхолнт примерно ! пА тока, перенося заряд, равный!0 'л Кл. Емкость мембраны обычно равна 1 мкФ.см з или 10 г» Ф мкм з. Поскольку 1Ф = 1 Кл. В ', заряд величиной 1О " Кл- мкм '.

который входит в клетку за время одного открывания каналов, достаточен для смещения мембранного потенциала на 100 мВ; иными словами, такой заряд обеспечивает фазу нарве~анна потенциала действия. Заряд величиной 1О 'л Кл переносит 6000 ионов )л!а'. Повышение внутриклеточной концентрации, обусловленное поступлением 6000 ионов )л(а' в примембранную область объемом ! мкм", пренебрежимо мало. !О л М. Следовательно. токи каналов достаточно велики для обеспечения генерации потенциала действия, но не создают заметных изменений внутриклеточных концентраций ионов (за исключением (Са'*~,).

Таким образом, восстановление трансмембранных ионных градиентов посредством Ха/К-насоса (с. !5) не играет роли в случае одиночного потенциала действию Белок 1Ма'-канала должен быть способен не только быстро включать массивный поток !л(а+, но н предотвращать одновременный вход других ионов, особенно К+, которые имеют почти те же размеры. Значит, Ха+-каналы должны характеризоваться избирательностью. Что касается анионов.

то они удерживаются отрицательными зарядами у входа в канал. как это показано на схеме (рис. 2.15). Из мелких катионов )э'" проходит через )л(а'-канал относительно хорошо, тогла как К' практически не пропускается. Избирательность можно объяснить только специфическим связыванием иона во время его прохождения через канал, о чем уже говорилось при обсуждении энергетического уровня связывания вдоль канала (рис. 1.5,Б) (213. Кроме избирательности для !л)а', Ха+-канал должен обладать способностью быстро изменять свою проницаемость при изменениях мембранного потенциала.

Следовательно, молекула Ха' -канала должна нести заряды, которые могут смещаться под влиянием сдвигов силы электрического поля через мембрану. Смещения этих зарядов регистрируются в вице «воротных токов» г3, 9, 233 после полной блокады ионных каналов; воротные токи свидетельствуют о смешении по крайней мере 4 зарядов на канал. Эти 4 заряда представлены на рис. 2.15 как «датчик электрического пола», способствующий изменению конформации молекулы, при котором ка- ЧАСТЬ 1, ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ КЛЕТКИ нал открывается. Открытое состояние нестабильно и преобразуется спонтанно в закрытое инактивированное состояние. Инактвввцвя осуществляется участками канального белка, находящимися на внутренней стороне мембраны. Вещества, которые действуют внутриклеточно, например иодат или проназа, а также спепифические токсины и фармакологические препараты, могут блокировать инактивацию.