Том 1 (1112429), страница 32
Текст из файла (страница 32)
Здесь же приведена схема, иллюстрирующая важнейшую особенность натриевой проводимости — положительную обратную связь между этой проводимостью и степенью деполяризации мембраны. При деполяризации натриевая проводимость возрастает, что увеличивает исходную деполяризацию; в результате натриевая проводимость еще больше повышается и т. д. Подобные самоусиливающиеся, или регенеративные, процессы в принципе известны. В качестве примера можно привести взрыв пороха — процесс, характеризующийся, положительной обратной связью между выделением тепла и химической реакцией.
Пожалуй, можно сказать, что именно эта положительная связь придает активный, «действенный» характер потенциалу действия! Благодаря этому свойству потенциал действия обладает порогом, создает короткую 17ефрактерность (т. е. невосприимчивость нерва к новому раздражению) и характеризуется постоянством амплитуды при распространении на большие расстояния. Все эти особенности будут обсуждаться в последующих главах.
Именно эти нелинейные, регенеративные взаимоотношения, благодаря которым натриевая и калиевая проводимости последовательно (а не одновременно) увеличиваются, обусловливают различия механизмов потенциала действия и синацтического потенциала. Н. К»«то«ные механизмы 7. Потеняиал действия Анализ экспериментальных данных позволил Ходжкину и Хаксли вывести уравнения, описывающие влияние различных факторов на ионную проводимость. При помощи этих уравнений была построена модель потенциала действия. Как видно нз рис.
7.6Б, теоретическая модель очень хорошо согласуется с экспериментом. Мы не будем подробно разбирать эту модель, прекрасно описанную во многих работах (см. библиографию). Здесь достаточно лишь отметить, что модель нервного импульса Ходжкина и Хаксли — одно из крупнейших достижений нейробиологии и всей современной науки, служащее примером удивительного соответствия экспериментальных данных теории. Невозможно переоценить важность этой модели для нейробиологии и, в частности, для изучения мембранных механизмов нервных процессов.
Теория Ходжкина — Хаксли стала краеугольным камнем для всех последующих исследований. Молекулярные механизмы возбуждения Один из признаков хорошей теории заключается в том, что с ее помощью можно предсказывать некоторые явления, доступные экспериментальной проверке. В этом отношении модель Ходжкина — Хаксли оказалась чрезвычайно плодотворной.
Рассмотрим вкратце некоторые важнейшие открытия, проливающие свет на молекулярные механизмы мембранных потенциалов. Свойства каналов. Основным вопросом, возникшим после создания модели Ходжкина — Хаксли, было выяснение механизмов регуляции ионной проводимости мембраны. Ходжкин и Хаксли, предположили, что проницаемость мембраны для каждого иона обусловлена гипотетическими «каналами», позволяю- шими данному иону свободно проходить через мембрану по градиенту концентрации.
Многие исследователи, работающие в данной области, представляют себе такие каналы как поры в мембране. В пользу такого предположения свидетельствуют многочисленные косвенные данные. Однако, поскольку диаметр каналов, согласно подсчетам, должен составлять 3 — 5А, оии ие могут быть обнаружены даже при помощи самых мощных современных электронных микроскопов.,Поэтому прямых доказательств существования подобных пор не получено.
Напротив, гипотетических представлений о свойствах ионных каналов более чем достаточно. Согласно одному нз предположений, вход в натриевый канал расширяется по направлению к внутренней стороне мембраны наподобие воронки, Предполагают также, что в мембране существуют молекулярные «ворота», обусловливающие открытие (активацию) и закрытие (инактивацню) натрневого канала. Все этн гипотетические структуры схемати- чески представлены на рнс. 7.7А. Как полагают, натриевый канал выстлан шестью отрицательно заряженными атомами кислорода, удаляющими гидратную оболочку с ионов «)а~; благодаря этому На» приобретает способность проходить через канал.
Избирательность данного канала для ионов На» определяется его диаметром; способность других ионов (кальция, лития и т. д.) проходить через этот канал зависит от пх размеров. Различные участки или компоненты ионных каналов служат местами воздействия ряда лекарственных препаратов, ядов и т. п. (рис. 7.7Б). Воротные токи. При построении своей модели Ходжкнн и Хаксли предположили, что ворота, управляющие проницаемостью натриевых каналов, должны обладать днпольным моментом. В связи с этим прн любых изменениях конформации таких ворот должна возникать разность потенциалов, суммирующаяся с общим мембранным потенциалом.
Однако эта разность настолько мала, что зарегистрировать ее стало возможным лишь в начале 1970-х годов после разработки методов «иакоплення» и усреднения нескольких тысяч ответов на раздражение. Полагают, что исследование токов, возникающих при изменениях конформациа ворот («воротных токов»), поможет получить новые данные о молекулярных механизмах функции ворот и регуляции проницаемости ионных каналов (рис 7.7А). Искусственные мембраны.
На первый взгляд может показаться, что возбудимость свойственна лишь оболочкам живых «леток. Однако в недавних работах было показано, что способностью к возбуждению обладают и искусственные мембраны. Липидные мембраны обрабатывали такими веществами, как амфотерицнн. Приложение напряжения к подобным мембранам приводило к тому, что их потенциал начинал изменяться в соответствии с законом «все или ничего». Полагают, что под действием приложенного напряжения в таких мембранах образовывались каналы и ворота (рис.
7.7В). В данных исследованиях была выявлена интересная особенность — частичное образование ворот, в результате которого возбудимость была выражена неполностью (см. схему на рис. 7.7). Возможно, именно в соответствии с аналогичным механизмом возбудимость нервных клеток может быть выражена в различной степени в процессе их созревания или в разных участках. Плотность расположения каналов и местная возбудимость. Для оценки плотности расположения натриевых каналов в мембране в ряде работ определяли связывание нервными волокнами меченого тетродотоксниа и подобных ему ядов (как уже говорилось, тетродотоксин избирательно блокирует натриевые каналы). Данные, полученные в этих работах, свидетельствуют о том, что плотность натриевых каналов существенно варьиру- 7. Погеицмтд действия 16! "Мабирательииа ыа фильтр" Зарлды лл ть 1 — 35 100 — 600 100 12 000 300 750 12 000 1 в 11 — 986 Рнс. 7.7.
Схема иатриевого канала. А. Натрневый канал. Б. Точки приложении рааличиых агентов. ТТХ вЂ” тетродотоксии; 3с, Тх †токс снорпиона и ектиний; ВТХ вЂ” батрахотоксин; МА — местноаиестеаирующие вещества, Са'+ — ионы кальции, вкранирующне отрицательные заряды наружной по= верхиасти мембраны (Н!!1е, 1981).
В. Возбудимые каналы в искусственном двойном липидном слое. На наружной поверхности двойного слоя располагаются «воротные» молекулы ионных каиалон; когда ати молекулы связываются с ион.селективяыми молекулами нижней поверхности слоя, капал становится проходимым дли соответствующего иона. Каналы, расположенные в нижней части двойного слои, образуются в результате обработки искусственной мембраны такими веществамн, как амфотерицнн. Под влиянием мембранного потенпиала «воротиыеь молекулы образуют скопления н погружаются в двойной слой так, как это показана на схеме.
(МШ1ег, 1979.) ет в различных нейронах и в разных участках одного н того же нейрона. Некоторые цифры, характеризующие плотность натриевых каналов, а также натриевых насосов и рецепторов биологически активных веществ, приведены в табл. 7.1. Оче- Таблица 71. Плотность (число иа 1 мкмт) натриевых каналов, натриевых насосов и репепторов в некоторых биологических мембранах (Нше, 1981) Натряевые каналы Обонятельный нерв саргана Гигантский аксаи кальмара Блуждающий нерв кролика Перехваты Ранвье миелиниаированных волоков кролика Натриевые насосы Обонятельный иере саргана Блуждающий нерв кролика Рецепторы Ацетнлхолинавые рецепторы концевой пластинки Инсулиновые рецепторы жировых клеток видно, чрезвычайно высокая плотность натриевых каналов в перехватах Ранвье связана с тем, что именно в этих небольших участках мембраны возникают потенциалы действия при сальтаторном проведении (см.
ниже). Различия в плотности каналов между теми или иными нервами могут быть частично обусловлены разным диаметром этих нервов: так, волокна обонятельных нервов принадлежат к наиболее тонким (их диаметр составляет около 0,2 мкм), в связи с чем отношение поверхности к объему у них чрезвычайно велико.
Из этих данных следует, что плотность потенциалзависимых (точнее, потенциалуправляемых) ионных каналов широко варьирует в зависимости от функциональной специализации нейронной мембраны. В связи с этим возбудимость нейрона может быть совершенно различной в разных его участках. В этом заключается важная особенность, обусловливающая сложность организации нервной системы. Многообразие ионных каналов. В последние годы чрезвычайно широко проводилось исследование ионных каналов в различных типах нервных клеток.
Эти исследования позволили значительно расширить модель потенциала действия, предложенную Ходжкином и Хаксли, включающую лишь один натриевый и один калиевый канал. Большинство подобных работ было выполнено на телах нейронов моллюсков — крупных клетках, чрезвычайно удобных для внутриклеточных методов исследования с фиксацией потенциала. Полагают, что выявленные н этих исследованиях свойства мембраны тела нейрона в ка- П. Клеточные механизмы кой-то степени сходны со свойствами мембран синаптических окончаний.
Это дает возможность судить об особенностях участков мембраны, ответственных за синаптические процессы (в частности, связанные с механизмами развития и научения; см. гл. ЗО). К настоящему времени выявлено множество ионных каналов, и охарактеризовать все эти каналы в нашем общем курсе невозможно. Основные их разновидности представлены в в табл. 7.2.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
