Том 1 (1128365), страница 48
Текст из файла (страница 48)
А.Адаптация выражена слабо и проявляется лишь в постепенном увеличении интервала между спайками. Б.Такой же раздражитель вызывает лишь один или два импульса.1442 В нейрофизиологии потенциалы действия в связи с их характерной конфигурацией называют"спайками". Спайк, импульс и потенциал действия-это термины-синонимы, которыми в литературе частообозначают одно и то же явление.1 Здесь может создаться впечатление, что главная особенность периода рефрактерности-это снижениеамплитуды потенциала действия в ответ на раздражение. Однако на самом деле основная характеристикарефрактерности-это снижение возбудимости, т.е. увеличение порога раздражения, о чем автор пишетниже.-Прим. перев.142 :: 143 :: 144 :: Содержание144 :: 145 :: 146 :: 147 :: 148 :: Содержание5.6.2. Натриевая гипотезаМногим из того, что мы знаем сегодня об электровозбудимых мембранах, мыобязаны сообщению, сделанному в 1936 г. английским зоологом ДжономЮнгом.
Этот ученый обнаружил, что особые длинные тяжи у кальмаров икаракатиц (рис. 5-19) являются не кровеносными сосудами, как считалось ранее,а необычайно толстыми аксонами. Они получили название гигантских аксонов истали излюбленным объектом для изучения функций мембран: благодаря ихочень большому диаметру (до 1 мм) можно было вводить в них в продольномнаправлении проволочные электроды и записывать потенциалы (рис. 5-20, А).Первые крупные открытия, связанные с экспериментами на гигантскихаксонах кальмара, были сделаны в 1939 г. независимо друг от друга КеннетомКоулом и Говардом Кертисом (Вудс-Холл, Массачусетс), с одной стороны, иАленом Ходжкином и Эндрью Хаксли (Плимут, Великобритания)-с другой.Коул и Кертис показали, что во время ПД проводимость мембраны возрастаетбез каких-либо существенных изменений ее емкости (рис.
5-21). Ходжкин иХаксли обнаружили, что мембранный потенциал во время ПД не простоуменьшается до нуля, но меняет свой знак на противоположный (рис. 5-20, Б).Этот факт противоречил распространенной в то время гипотезе о том, чтоувеличение ионной проницаемости во время возбуждения носитнеспецифический характер (т.е.
мембрана144Рис. 5.19. Кальмар Loligo и его гигантские аксоны. Благодаря своимкрупным размерам эти аксоны быстро проводят возбуждение и тем самым обеспечивают достаточносинхронную активацию мышц мантии. Сокращаясь, эти мышцы вызывают резкий выброс воды, ипотревоженный кальмар делает бросок назад. (Keynes, 1958.)становится проницаемой в одинаковой степени для всех ионов) и что ПДобусловлен просто-напросто полной деполяризацией мембраны.В дальнейшем Ходжкин и Бернард Катц (1949) обнаружили, что еслиудалить из внеклеточной среды Na +, то ПД не возникает.
Если же заменитьвнеклеточный Na + на непроникающий катион (например, холин), то скоростьдеполяризации и амплитуда ПД снижается (рис. 5-22). На основании этихданных они высказали так называемую натриевую гипотезу., согласно которойфаза подъема и овершут ПД обусловлены временным повышениемпроницаемости мембраны для Na+ и входом этого иона в клетку.В пользу натриевой гипотезы говорят следующие соображения и факты.1. Содержание Na+ во внеклеточной среде примерно в 10 раз больше, чем вклетке, поэтому ENa составляет 50-60 мВ. Направление действующей наионы Na+ ЭДС таково, что эти ионы стремятся пройти в клетку. Численноэта ЭДС равна Vм - ENa (разд. 5.5).2. Поскольку ионы Na+ заряжены положительно, их вход в клетку долженпривести к изменению знака внутриклеточного потенциала наположительный (что, как мы уже знаем, и наблюдается вдействительности).3.
На высоте овершута ПД приближается к равновесному натриевомупотенциалу. Этот потенциал [см. уравнение (5-5)] можно рассчитать исходяиз того, что отношение содержания Na+ в наружной и внутриклеточнойсредах равно 10:1:4. Как мы уже отмечали, величина овершута зависит от содержания Na+ вовнеклеточной среде, причем эта зависимость соответствует теоретической,которую можно найти исходя из значения ENa.Рис. 5.20.
А. Схема опыта, в котором Ходжкин и Хаксли в 1939 г. на аксоне кальмара показали, что вовремя ПД мембранный потенциал меняет свой знак на противоположный. Стрелками указано направлениераспространения возбуждения. Б. Запись, полученная в данном опыте.145Рис. 5.21. Увеличение проводимости мембраны во время распространения ПД в аксоне кальмара. На этомклассическом рисунке Коула и Кертиса (1939 г.) приведены ПД и контуры высокочастотного колебания,ширина которого пропорциональна проводимости мембраны. Видно, что во время ПД и в течениекороткого промежутка после него проводимость увеличена. Повторив этот опыт с колебаниями разнойчастоты, Коул и Кертис обнаружили, что емкость мембраны во время возбуждения не меняется.Интервал между отметками времени (внизу) -1 мс.Рис.
5.22.Зависимость величины овершута ПД гигантского аксона кальмара от содержанияNa+ во внешней среде. 1 -контрольная кривая, полученная при нормальном составесреды (морская вода). Кривые 2-5 соответствуют постепенному изменениюконфигурации ПД при замене среды, сходной с морской водой, на раствор,содержащий холинхлорид вместо NaCl; при этом концентрация Na + вблизимембраны, т. е. под слоем прилегающих к ней тканей, постепенно снижалась.Кривая 6 получена после того, как раствор был вновь заменен на морскую воду.(Hodgkin, Katz, 1949.)Во время второй мировой войны Ходжкин и Хаксли вынуждены быливременно прекратить свои работы на гигантских аксонах кальмара.
После войныони вновь приступили к опытам, но уже с использованием нового и чрезвычайноинформативного метода-так называемого метода фиксации потенциала (см.дополнение 5-3). Этот метод позволил им получить дополнительные данные вподдержку натриевой гипотезы. В двух словах в методе фиксации потенциала(впервые примененном на гигантском аксоне кальмара) используется система собратной связью, позволяющая скачкообразно изменять мембранный потенциалдо любого необходимого уровня и поддерживать (фиксировать) его на этомуровне; в опыте измеряется ионный ток, протекающий через мембрану приподобном изменении потенциала. При такой постановке экспериментаисследователь имеет дело с меньшим числом неконтролируемых факторов, чемв том случае, когда на мембране в ответ на импульс деполяризующего токасвободно развивается ПД (см.
рис. 5-5 и 5-15). Метод фиксации потенциалаоказался чрезвычайно плодотворным для изучения работы потенциалзависимыхканалов, по которым такие ионы, как Na + и К+, проходят через мембрану ивызывают изменение мембранных потенциалов.Из рис. 5-23 видно, что в ответ на действие гиперполяризующегопотенциала (кривая а) через мембрану начинает течь очень небольшой ипостоянный входящий ток (кривая а), который сохраняется в течение всеговремени гиперполяризации. Однако такой же по величине деполяризующийсдвиг потенциала (кривая б) сопровождается болееРис. 5.23. Кривые, полученные в опыте с фиксацией потенциала.
При гиперполяризации (кривая а)наблюдается лишь небольшой постоянный мембранный ток (а'). При деполяризации же сначала возникаетвходящий ток (кривая б', отклонение вниз), а затем наблюдается медленно развивающийся задержанныйвыходящий ток (кривая б', смещение вверх). (Hodgkin, Huxley, Katz, 1952.)146Рис.
5.24.Разграничение натриевого и задержанного выходящего токов. А. Кривая изменениямембранного потенциала; ступенчатая деполяризация на 60 мВ. Б. Кривая асоответствует суммарному току, переносимому ионами Na+ и К+ в условияхнормального состава внеклеточной среды (морская вода); кривая б отражает лишьток, переносимый ионами Х+ , поскольку она была получена при таком снижениисодержания Na+ во внешней среде, когда Vм во время подачи стимула был равенравновесному натриевому потенциалу; значит, хотя натриевые каналы и былиоткрыты, ток через них не шел. В. Кривая, соответствующая натриевому току,получена путем вычитания кривой б из кривой a.
(Hodgkin, Huxley, 1952а.)значительными и сложными изменениями мембранных токов (кривая б').Вначале кривая б' кратковременно отклоняется вниз. Это означает, что в ответна деполяризацию очень быстро возникает входящий ток. Этот раннийвходящий ток сохраняется в течение 1-2 мс, а затем сменяется более медленноразвивающимся задержанным выходящим током (отклонение кривой вверх).Ранний входящий ток вызвал особый интерес, поскольку он порождаетсяпроникновением положительных зарядов в клетку и, следовательно, его можносвязать с фазой нарастания 1 ПД, обусловленной, как предполагалось, входомNa+ .Для проверки предположения о том, что ранний входящий ток обусловленионами натрия, Ходжкин и Хаксли заменили эти ионы во внеклеточной среде нахолин.
Ранний входящий ток исчез (рис. 5-24), вместо него наблюдался лишьнебольшой ранний выходящий ток. Что же касается задержанного выходящеготока, то он в этих условиях не изменялся. Если аксон вновь погружали в среду снормальным содержением натрия, то входящий ток восстанавливался. Такоевосстановление свидетельствовало о том, что этот входящий ток обусловленвременным входом Na + через мембрану в клетку. В соответствии с такой точкойзрения деполяризующий импульс приводит к кратковременному открываниюбольшого числа натриевых каналов, через которые ионы Na + входят в аксон(создается натриевый ток).
Иными словами, открывание натриевых каналовприводит к повышению натриевой проводимости qNa. При обычном составевнеклеточнойжидкостинаправление электрохимического градиента,+действующего на Na (Vм - ENa), таково, что этот ион стремится войти в клетку.Значит, при повышении qNa возрастает и натриевый ток:При замене Na+ во внеклеточной среде на такой непроникающий ион, какхолин, электрохимический градиент для Na+ меняет свой знак напротивоположный, и направление натриевого тока также становится обратным.Ходжкин и Хаксли сумели исследовать раздельно временной ход входящегои задержанного выходящего токов. Для этого они сначала регистрировалисуммарный ток в препарате, погруженном в нормальный физиологическийраствор, а затем снижали содержание натрия во внеклеточной среде, заменяя егона холин. При этом они создавали такую концентрацию Na +, чтобы при томуровне потенциала, который они подавали на мембрану, эти ионы находились вравновесии (т.
е. Vм - ENa = 0) (рис. 5-24). В этих условиях в ответ на подачудеполяризующего потенциала натриевый ток уже не возникал, и оставался лишьзадержанный выходящий ток (рис. 5-24,5). В дальнейшем было показано (см.ниже), что носителями этого тока являются ионы К+. Ходжкин и Хаксли вычлизадержанный выходящий ток из суммарного тока, который регистрировался принормальном составе внеклеточной среды.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
