11104 (Как клетки общаются между собой), страница 3

Известно, что человек волевым усилием может остановить безусловный рефлекс. Существует, например, защитный рефлекс отдергивания руки, когда рука касается горячего предмета, чего-то острого и т.д. Однако известен пример римского героя Сцеволы, который положил руку на горящую жаровню и не отдернул ее, преодолев боль. Каждый из нас затормаживает рефлекс отдергивания, когда берут кровь на анализ. В менее явной форме торможение проявляется почти во всяком поведенческом акте, в том числе и в непроизвольных движениях, торможение участвует и в регуляции работы внутренних органов.

Что же такое торможение? В чем его причина? По этому поводу в литературе до сих пор можно встретить самые фантастические утверждения. Даже в школьном учебнике физиологии говорится, что торможение в данном месте нервной системы вызывается тем, что сильно возбуждается соседний участок. Так что же такое торможение на самом деле?

Прежде всего подчеркнем, что под торможением понимается активный процесс, а не просто отсутствие возбуждения. Заторможенной называют клетку, в которой какой-то механизм противодействует возбуждению. Вспомнив, что такое возбуждение, легко понять, что это за механизм. Мы знаем, что нервная клетка или волокно возбуждаются тогда, когда деполяризуется их мембрана. Значит, противоположный сдвиг мембранного потенциала и будет торможением: такую клетку будет труднее возбудить, так как потребуется более сильное воздействие, чтобы довести ее потенциал до порогового значения»

Как можно гиперполяризовать, т.е. затормозить клетку? Вспомнив опять, «что снаружи, что внутри», легко сообразить, что для этого надо либо усиливать проницаемость мембран для ионов калия, которые будут выносить наружу положительный заряд, либо увеличивать проницаемость мембраны для ионов хлора, которых много в наружной среде. Перемещение отрицательных ионов хлора внутрь клетки даст тот же эффект, что и перемещение положительных ионов калия наружу.

В нервной системе встречаются тормозные синапсы, использующие и калий, и хлор. Как правило, при этом используются особые тормозные медиаторы, которые управляют воротами соответствующих каналов. Например, у позвоночных есть два тормозных медиатора – аминокислота глицин и гаммааминомасляная кислота, которые, в основном, открывают хлорные каналы мембраны. Интересно, что гаммааминомасляная кислота является тормозным медиатором не только у позвоночных, но и у членистоногих.

Существуют и другие способы торможения. Например, известно, что блуждающий нерв тормозит деятельность сердца. Блуждающий нерв выделяет ацетилхолин, точно такой же, как тот, который возбуждает скелетные мышцы, но сердце он тормозит. Оказывается, в случае сердца ацетилхолин действует не прямо на ворота каналов. Он садится на особые рецепторы, активация которых меняет метаболизм сердечных клеток. В результате ряда внутриклеточных реакций возникает особое вещество, которое и открывает изнутри ворота калиевых каналов. Такие синапсы называют «метаболическими».

Итак, мы видели, что в ХС с помощью разных медиаторов могут открываться те или иные каналы клеточной мембраны. Если при этом возникает деполяризация – синапс возбуждающий, если возникает гиперполяризация – синапс тормозный.

О величине синаптических потенциалов

Мы с вами рассмотрели принципы работы возбуждающих и тормозных синапсов. Посмотрим теперь, как можно оценить количественно действие химических синапсов.

Из рассказа о потенциале покоя и потенциале действия вы знаете, что для каждого иона существует свой равновесный потенциал, при котором число ионов, входящих в клетку и выходящих из клетки, становится одинаковым. В покое для ионов калия равновесный потенциал равен примерно –80 мВ; при возбуждении, когда в основном открываются натриевые каналы, равновесный потенциал для натрия равен примерно +40 мВ. У постсинаптической мембраны тоже есть свой равновесный потенциал. Его величина зависит от того, какие ионы пропускает эта мембрана. Например, постсинаптическая мембрана возбуждающего синапса, каналы которой в равной мере пропускают и калий, и натрий, имеет равновесный потенциал, лежащий ровно посередине между таковыми для калия и натрия: /2 = –20 мВ. А у тормозного синапса, пропускающего ионы хлора, равновесный потенциал равен примерно –80 мВ.

Пока медиатор не подействовал на постсинаптическую мембрану, ее каналы закрыты и ток через нее не течет. Под действием медиатора открываются каналы для тех или иных ионов и они будут идти через постсинаптическую мембрану тем эффективнее, чем дальше отстоит ее потенциал от равновесного. Можно сказать, что в области постсинаптической мембраны включается источник э.д.с. величиной, где У_с – равновесный потенциал постсинаптической мембраны, а V – мембранный потенциал клетки в данный момент. Если мембранный потенциал равен равновесному для данного синапса, то ток через синапс не пойдет.

Представим теперь эквивалентную электрическую схему нейрона с действующим на него синапсом. При выделении медиатора будет течь синаптический ток сила которого по закону Ома для всей цепи равна

Здесь. Добщ – сопротивление всей клеточной мембраны, а Л_с – сопротивление синапса. Этот ток создает падение напряжения на сопротивлении внесинаптическои мембраны:

Этот сдвиг потенциала называют постсинаптическим потенциалом. Если синапс возбуждающий, сдвиг потенциала называют возбуждающим постсинаптическим потенциалом, если же синапс тормозный, то сдвиг потенциала называют тормозным постсинаптическим потенциалом

Давайте попробуем оценить величину ВПСП, создаваемого одним синапсом на мотонейроне). Равновесный потенциал этого синапса лежит в области –20 мВ. Сопротивление мембраны мотонейрона равно примерно 10⁷ Ом. Сопротивление среднего синапса площадью в 1 мкм² равно примерно 10¹² Ом. Отсюда АУ –

мВ.

Мы видим, что один синапс создает крайне малый сдвиг потенциала, ведь порог возбуждения 10–15 мВ. Значит, чтобы возбудить мотонейрон, на него должно подействовать много синапсов.

Наша формула годится в том случае, если синаптический ток имеет достаточно большую длительность, тогда все емкости успевают зарядиться и их можно не учитывать. Для кратковременных синаптических токов надо учитывать и емкость мембраны.

Устройства, подобные синапсам

Оказывается, что устройства, подобные синапсам, как электрическим, так и химическим, играют важную роль в жизнедеятельности самых разных тканей и органов.

Например, клетки сердца у самых разных животных связаны каналами из того же белка коннектина, который образует каналы в ЭС. В результате электрический сигнал распространяется по сердечной мышце от клетки к клетке за счет тех же местных токов,

что и по гигантскому «аксону» червя» Связаны коннексонами между собой и клетки гладких мышц разных внутренних органов.

Это еще не самое удивительное: все это возбудимые ткани, в которых должен распространяться электрический сигнал. Но вот уж совсем удивительным было открытие в середине 60-х годов американским биологом Левенштейном и сотрудниками Лаборатории молекулярной биологии им. А.Н. Белозерского МГУ того, что и невозбудимые клетки разных органов тоже связаны высокопроницаемыми контактами. Фактически почти все ткани организма представляют собой не скопление одиночных клеток, а единый коллектив, в котором клетки могут обмениваться через каналы высокопроницаемых контактов разнообразными молекулами. Благодаря этому в тканях возможна своеобразная «клеточная взаимопомощь», Например, если в какой-то клетке плохо работают насосы, ее соседи через каналы высокопроницаемых контактов «делятся» с ней своим ионным запасом и поддерживают ее потенциал покоя.

При изучении высокопроницаемых контактов было выяснено, что коннексоны являются не стабильными трубками, а динамическими структурами: каналы, образуемые коннектином, могут открываться и закрываться под действием разных факторов. Сейчас выяснен молекулярный механизм такого закрывания каналов. Коннексон состоит из 6 субъединиц, которые могут двигаться относительно друг друга, при этом отверстие может закрываться; это устройство очень похоже на устройство диафрагмы фотоаппарата с подвижными лепестками.

Зачем же нужно это свойство коннексонов? Рассмотрим один пример. Обычно в цитоплазме клеток очень мало свободного кальция. По ряду причин более высокие концентрации кальция ведут к гибели клетки, и поэтому у клеток есть ряд защитных механизмов: избытки кальция выкачиваются наружу насосами, поглощаются митохондриями и т.п. Представим себе теперь, что в системе клеток, связанных высокопроницаемыми контактами, какая-то из клеток серьезно повреждена. Защитные механизмы не могут справиться с избытком кальция, поступающего из наружной среды, и клетка погибает. Но когда кальций подходит внутри этой клетки к области клеточного контакта, коннексоны закрываются и соседние клетки отсоединяются от поврежденной. Такая конструкция похожа на систему водонепроницаемых переборок в военных кораблях: если в одном отсеке возникла пробоина, перегородки автоматически закрываются и корабль не тонет. В клеточных системах такое устройство тоже обеспечивает их высокую живучесть. Если предположить, что все сердце представляло бы собой систему клеток, прямо связанных своей цитоплазмой, тогда повреждение могло бы распространяться от клетки к клетке. Один известный ученый сказал: «Клетки сердца работают вместе, а умирают поодиночке». Теперь мы знаем, что это возможно именно благодаря свойствам коннексонов.

Но динамичность коннексонов важна не только для создания живучести. Оказалось, что высокопроницаемые контакты можно найти уже на самых ранних стадиях развития зародышей разных животных; они соединяют между собой клетки, возникающие уже при первых дроблениях яйца, а в ходе дальнейшего развития то появляются, то исчезают. Клетки то влияют друг на друга какими-то веществами, то участки зародыша изолируются друг от друга_; и тогда в этих участках развивается однородная ткань из одинаковых клеток; потом такие участки вновь соединяются контактами с соседями, и вся эта сложная игра контактов важна для регуляции нормального развития.

Все, что мы узнали о высокопроницаемых контактах, невольно наводит на мысль, что передача сигналов в электрических синапсах – это вторичная «профессия» структуры, которая, как и ионные насосы, играет более общую и фундаментальную роль в развитии организмов и функционировании их тканей.

Аналогичная ситуация имеется и с химическими синапсами. Принцип их работы используется в организмах не только для передачи информации, но и в других целях. Оказывается, разнообразные секреторные клетки используют ионы Са⁺⁺ для регуляции выброса секрета подобно тому, как в химическом синапсе этот процесс используется для выброса медиатора. Кроме того, клетки многих желез являются электрически возбудимыми.

Рассмотрим для примера работу клеток поджелудочной железы, вырабатывающих инсулин, регулирующий содержание сахара в крови.

Оказывается, на поверхности этих клеток имеются специальные рецепторы, реагирующие на глюкозу. Если концентрация глюкозы в крови выше нормы, то под действием этих рецепторов клетки деполяризуются и в них возникают потенциалы действия. Эти потенциалы действия имеют кальциевую природу, они возникают за счет открывания Са-каналов. При этом ионы Са⁺⁺ входят внутрь клетки, что приводит к выбросу в кровь инсулина, точно так же, как в случае нервных окончаний приводит к выбросу медиатора. Роль кальция в выбросе разных веществ, в частности гормонов, показана и для многих других желез.

Нервная клетка – клетка

Этими словами мы хотим подчеркнуть, что особенные, исключительные свойства нейрона – модификация свойств, присущих и другим клеткам организма, В ходе естественного отбора молекулярные машины и разные клеточные устройства приобретают в разных клетках несколько разные функции, при этом сами устройства могут либо несколько меняться, либо использоваться в том же виде, но для другой цели. Раньше мы уже говорили, что ионные насосы и потенциалы покоя имеются у всех клеток организма, а в нервных и мышечных клетках используются для передачи сигналов.

Рассказ о синапсах дает нам особенно много примеров того, как единство превращается в многообразие. Мы видели, что коннексоны существуют у самых разных клеток организма, в том числе и невозбудимых. Они используются и при регуляции эмбрионального развития, и для передачи молекул от клетки к клетке, а в возбудимых тканях этот межклеточный канал был использован эволюцией для передачи электрического тока, для создания электрических синапсов.

Разнообразные клетки организма выделяют в окружающую среду разные вещества; прежде всего, это клетки желез. Существуют специальные клеточные приспособления для выброса секретируемых веществ: эти вещества упакованы в мембранные контейнеры, а их выброс регулируется ионами Са⁺⁺, которые входят в клетку через специальные кальциевые каналы. В результате естественного отбора этот механизм используется нервными клетками в конструкции химических синапсов: в контейнерах содержится медиатор, а дальше выброс его организован так же, как выброс гормонов и других веществ. С этой точки зрения нервные клетки с химическими синапсами – это один из вариантов секреторных клеток, а медиатор – это их секрет, который только не просто выбрасывается в кровь, а поступает к совершенно определенным потребителям через синаптическую щель.

С другой стороны, мы видели, что работа клеток поджелудочной железы похожа на работу нервных клеток. Они тоже имеют потенциал действия, но этот потенциал действия служит для того, чтобы открыть кальциевые каналы и впустить внутрь ионы Са⁺⁺. Да и у многих мышечных клеток основная роль потенциала действия состоит в том, чтобы открыть ворота кальциевых каналов для ионов Са⁺⁺, запускающих процесс сокращения. Мы еще раз видим близкое сходство механизмов, используемых разными клетками организма в разных целях: для передачи сигнала в ЭС, для выброса секрета в клетках желез, для сокращения в клетках мышц. В конце концов, это совсем не удивительно, ведь все они – потомки одной и той же клетки и имеют идентичный геном.