Том 1 (1112429), страница 31
Текст из файла (страница 31)
Анализ механизма возбуждения. Модель Ходжкина — Хаксли Прн изучении механизмов возникновения потенциала действия в нейронах (а также в других клетках) мы будем отталкиваться от нескольких общепризнанных фактов. Прежде всего процессы, приводящие к генерации нервного импульса, разыгрываются на мембране н заключаются в кратковременных изменениях мембранного потенциала. Идеи о том, что потенциал действия возникает именно на мембране, высказывались уже в Х1Х веке. Онн были подтверждены в изящных опытах на гигантских аксонах кальмара: проведение импульсов в этнх аксонах сохранялось даже после выдавливания нз ннх аксоплазмы. Второй важный факт, касающийся потенциала действия, заключается в том, что этот потенциал представляет собой кратковременную деяоляризацию мембраны. Об этом также догадывались уже в прошлом веке, исходя нз данных некоторых экспериментальных работ, однако прямое подтверждение было получено лишь прн помощи внутриклеточной записи от аксона кальмара.
В главе 6 (см. рнс. 6.6) была описана экспериментальная установка, позволяющая регистрировать мембранные потенциалы от гигантских аксонов; аналогичная установка показана на рнс. 7.2. В первых же работах, проведенных исследователями нз Рокфеллеровского института медицинских исследований К. Колем н Д. Кертнсом (К. Со!е, 1). Спг((з, 1939), было показано, что прн возбуждении мембрана не просто деполярнзуется, т. е.
становится заряженной менее отрицательно изнутри, но разряжается до 0 н затем перезаряжается; в момент пика потенциала действия она становится заряженной о мв -75 мв Рис. 7.2. Нервный импульс в аксоне кальмара. Импульс был вызван кратковременной деполяризацией в точке А. Видно, что при экспериментальном возбуждении участка, расположенного где-то в середние нервного волокна, импульс распространяется в обоих направлениях. положительно изнутри, причем потенциал ее достигает почти +50 мВ.
Как можно объяснить такую перезарядку мембраны? Она не может быть обусловлена просто увеличением мембранной нроннцаемостн для всех ионов, поскольку в таком случае мембрана полярнзовалась бы до О, но не перезаряднлась. Объяснить явление перезарядки мембраны нам поможет третий важнейший факт: потенциал действия в аксонах кальмара возможен лишь прн наличии ионов натрия во внеклеточной среде. Удаление этих ионов приводит к снижению величины потенцнала действия (рнс. 7.3).
Что касается потенциала покоя, то, как уже говорилось, его величина почти не зависит от содержания натрия (это связано с тем, что в покое проницаемость мембраны для натрия по сравнению с проннцаемостью для калия весьма невелика; см. рнс. 6.6). Из кривых, приведенных на рнс. 7.3, следует, что в момент пика потенциала действия натрневая проницаемость (н проводимость) очень высока. Этн трн важнейших факта свидетельствуют о том, что потенциал действия в аксоне кальмара обусловлен временным повышеннем проницаемости мембраны для натрия.
Такое повышение проницаемости приводит к быстрому переходу положительно заряженных ионов натрия по концентрационному градиенту в клетку..Прн этом потенциал мембраны снижается н даже меняется на противоположный — он приближается 'и равновесному потенциалу для натрия, равному примерно +55 мВ. В связи с этим нас интересуют изменения нонной Нормалмюв содержание натрия +60 +40 н-40 420 -20 -60 ого аде -60 Реги 1ООМ морснои воды $0 и о с -20 *-40 -60 о -80 КС Клеточные меланизмы т.
Потенциал действия Истлении Усилителе налряже ия -100 5 10 20 30 50 !00 Содержание натрия во внешней среде, мы Рис, 7.3. Зависимость потенциала действия от содержания )т)а+ во виеклеточной с!еде. А. Снижение амплитуды потенциала действии при умеиьшепии содержашя )т)а+ во виеклеточиой среде в 3 раза (за 10074 принято содержанне )ч)+ в морской воде). Б. Кривая зависимости амплитуды потеициала действия от концеитрации Ыа+ во впеклеточиой жидкости. (НобКЫп, Ка!х, 1949.) проництемости и трансмембранных токов во времени; кроме того, нюбходимо выяснить, не участвуют лн в генерации потенциала действия другие ионы.
Для того чтобы ответить на эти вопрось, необходимо исследовать ионные токи через мембрану при различных уровнях мембранного потенциала. С этой целью была р)зработана методика пространственной фиксации (при этом идпульс не распространяется по аксону, а удерживается на постзянном уровне на некотором участке), а также метод фиксацзи потенциала. Последний метод позволяет устанавливать и удерживать мембранный потенциал на определенном уровне и измерять трансмембранные токи, возникающие при данном значении потенциала. Схема соответствующей установки при)едена на рис. 7.4А, а принципы измерения ионных токов — ва рис.
7.4Б — Г. Дашый метод был использован А. Ходжкином (А. Нол(а)4(п) и А. Х)ксли (А. Ннх)еу) из Кембриджского университета в знам)интой серии экспериментов, опубликованной в 1952 г. Данные Ходжкина и Хаксли приведены на рис. 7Л. Исследователи измеряли мембранные токи при потенциале, фиксированном на различных уровнях. Из кривой а видно, что суммарный ток сос оял из раннего входящего и более позднего выходящего компонентов. Затем Ходжкии и Хаксли повторялиэтнопыты, удатяя 5)ад из внеклеточной среды.
Пря этом (см. кривую б на р)с. 7.5Б) наблюдался лишь более, поздний выходящий компон)нт, величина которого увеличивалась по-мере уменьше- мем Наружу !сот) Наружу )мп) Наружу )сит) ния мембранного потенциала. Авторы предположили и в дальнейшем доказали, что этот поздний компонент мембранного тока обусловлен ионами Кэ. Чем больше была разница между мембранным потенциалом и равновесным калиевым потенциалом (т.
е. чем больше была деполяризована мембрана), тем выраженнее был поздний компонент. Вычитание позднего компонента из суммарной контрольной кривой позволило получить кривую раннего компонента (кривая в). Этот компонент появлялся при небольшом уровне деполяризации; при мембраниом потенциале, примерно равном О, он был наибольшим, а при потенциале около +55 мВ менял свое направление. )м=)на+)к )а=~на =0„,)у-у„,) жпК)Ч-"К) Рис. 7.4. А. Схема экспериментальной установки для исследований гигаитского аксона хальмара методом пространственной фиксапии и фиксации иапряжеиия. Потенциал мембраны устанавливается иа определеииом уровне с помощью источника напряжения (1); для регистрации этого потенциала используют усилитель (2). Усилитель (2) соединен с усилителем обратиой связи (3).
С помощью усилителя (3) через мембрану пропускают ток, компеисирующва ионные токи при даииом зиачеиии фиксированного потеициала. Этот ток иамериется иа сопротивлении (4). (Капбе!, 1976.) Б — Г. Упрощенные эквивалеитные схемы иомиых токов, возникающих в условиях прострапствеияой фиксации и фиксации напряжения (НпЬЬагд е1 а!н 1960, с измеиеииями). 157 7.
Потенциал действия П Клеточные механизмы Б а. Кончропа мс 0 5 \О 1ЗБ Ом 120 105 ~~90 75 60 1О *1 — 10 -60 а» !морскан вода беа иа'1 150 мв б, ТТХ: К'-чок 135 н, 90 й в. ТЗА: махаон й -1 о. 1- 135 12О 105 75 ЗО 15 60 46 Време Именно так должен был вести себя ток, обусловленный ионами )1)аа: движущей силой для этих ионов служит натриевый равновесный потенциал, составляющий примерно +55 мВ. Эти выводы были подтверждены в дальнейших экспериментах с использованием ядов, избирательно блокирующих натриевые и калиевые каналы. Из рис.
7.5Б видно, что при блокаде калиевых каналов тетраэтиламмоиием (ТЭА), добавленным во внеклеточиую жидкость, сохранялся лишь ранний иатриевый компонент мембранного тока. Напротив, при блокаде иатриевых каналов тетродотоксииом (ТТХ) (ядом из яичников иглобрюха) выявлялся лишь поздний калиевый компонент. Измерения ионных токов позволили Ходжкину и Хаксли вычислить натриевую и калиевую проводимости; для этого они применили закон Ома к эквивалентной электрической схеме мембраны (см. рис. 7.4).
В дальнейшем они вывели уравнения, описывающие кинетику этих проводимостей. Оставалось лишь объяснить быстрое падение иатриевой проводимости после ее Рис. 7.5. А. Мембранные токи, возникающие при деполяризации иа 60 мВ и зарегистрированные методом фиксации потенциала: а — волокно омывается морской водой; б — )Ча+ во виеклеточиой среде замеиея холииом, и регистрируется лишь калиевый ток (1к); в — кривая иатриевого тока, рассчитаииаи по уравнению !иа=1еаш — 1к.
(НобпЫп, Них!еу, 1952) Б. Раздельный аиализ ионных токов с помощью нервных ядов: а — ионные токи в нормальных условиях; б — 1ка заблокирован гетродотоксииом (ТТХ), выявляется лишь 1к; в — 1к заблокирован тетразтиламмояием (ТЭА), выявляется лишь 1и . (Н!1. 1е, 1976.) и х о а с н 40 х ц 20 б о 50 оа х с 5 й О о с о — 50 я Увеличение ОН а Деполнриааиил мембраны о О б и Рис.
7.6. А. Регеиеративиые связи меаидУ Деполяризацией мембраны, увеличеяием иатриевой прокицаемосгв и входящим током )Чае. Б. Кривые измеиеиий ионных провицаемостей в процессе формироваиия потеициала лейсгвия, построенные в счютветствии с моделью Ходжкииа — Хаксли. (Нобйй(п, Нпх!еу, !п: Н1!!е, 198!.) первоначального повышения. Это снижение натриевой проводимости было названо иатриевой инактивацией; затем было показано, что процесс натриевой ииактивации можно избирательно блокировать, вводя внутрь аксона фермент проиазу. Взаимоотношения между этими тремя процессами †повышением натриевой проводимости, повышением калиевой проводимости и натриевой инактивацией — представлены на рис. 7.5.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
