Часть 3 (1129751), страница 64
Текст из файла (страница 64)
Красная кривая показывает потенциал действия,вызванный открыванием и последующей инактивацией Na+-каналов, состояние которых изображенона (в). Мембрана не способна генерировать новый потенциал действия, пока Na+-каналы не вернутсяв закрытую конформацию; до тех пор мембрана не восприимчива по отношению к стимуляции.1160Часть IV. Внутренняя организация клеткиОписание потенциала действия применимо только к небольшому участкуплазматической мембраны. Однако самоусиливающейся деполяризации участкадостаточно, для того чтобы деполяризовать соседние области мембраны, которыезатем проходят через такой же цикл.
Таким образом, потенциал действия распространяется как волна от исходной точки деполяризации по всей плазматическоймембране, как показано на рис. 11.30.С потенциал-зависимыми K+-каналами в большинстве нервных клеток связанвторой механизм быстрого снижения потенциала активированной плазматическоймембраны до его исходного отрицательного значения, при котором возможна передача второго импульса. Эти каналы открываются в ответ на деполяризацию мембраны почти так же, как Na+-каналы, но с более медленной кинетикой; поэтому ихназывают медленными K+-каналами. Как только K+-каналы переходят в открытоесостояние, выходящий поток K+ быстро компенсирует временный входящий потокNa+, и мембранный потенциал быстро приближается к равновесному потенциалупо K+, хотя инактивация Na+-каналов может еще не закончиться.Как и Na+-каналы, потенциал-зависимые K+-каналы автоматически инактивируются.
Исследования мутантных потенциал-зависимых K+-каналов показали,что для быстрой инактивации необходимы 20 аминокислотных остатков N-концаканального белка: изменение этого участка влияет на инактивацию канала, а егоудаление полностью ее блокирует. Удивительно, но, если цитоплазматическуюповерхность плазматической мембраны подвергнуть действию искусственного пептида, соответствующего отсутствующему N-концу, инактивация восстанавливается.Эти наблюдения указывают на то, что N-конец каждого K+-канала работает как«шарик на нитке», закрывающий и цитоплазматический конец поры вскоре послеее открытия, и инактивирующий канал (рис. 11.31). Предполагается, что сходныймеханизм действует при быстрой инактивации потенциал-зависимых Na+-каналов(которые мы обсудим позже), хотя там в этом участвует другой участок белка.Электрохимический механизм потенциала действия был впервые сформулирован после знаменитой серии экспериментов, проведенной в 40–50-х гг.
XX века.Поскольку на тот момент методов изучения электрических явлений в маленькихклетках еще не существовало, эксперименты проводили на гигантском нейронекальмара. Несмотря на технический прогресс, логика оригинального анализадо сих пор служит моделью для современных работ. В приложении 11.3 описанынекоторые аспекты оригинальных экспериментов.11.3.8. Миелинизация увеличивает скорость и эффективность распространения потенциала действия по нервным клеткамУ многих позвоночных миелиновые оболочки служат изоляцией аксонов.Она значительно увеличивает скорость проведения потенциала действия аксоном. Важность миелинизации ясно показывает заболевание рассеянный склероз,при котором иммунная система разрушает миелиновые оболочки в некоторыхобластях центральной нервной системы; в нарушенных участках проведение нервных импульсов значительно замедляется, что часто приводит к сокрушительнымневрологическим последствиям.Миелин синтезируют специальные поддерживающие клетки, носящие название глиальных клеток.
Шванновские (Schwann) клетки образуют миелиновыеоболочки аксонов периферических нервов, а олигодендроциты — в центральнойГлава 11. Мембранный транспорт малых молекул 1161Рис. 11.30. Распространение потенциала действия вдоль аксона. (а) Внутриклеточные электроды, расположенные на равных интервалах вдоль аксона, записывают напряжение. (б) Изменение Na+-каналови ток (оранжевые стрелки) вызывают распространяющееся возмущение мембранного потенциала.Область аксона с деполяризованной мембраной показана голубым.
Обратите внимание, что потенциалдействия может двигаться только от точки деполяризации, поскольку инактивация Na+-каналов препятствует его распространению в обратном направлении.1162Приложение 11.3. Некоторые классические эксперименты на аксонеГлава 11. Мембранный транспорт малых молекул 1163Рис. 11.31. Модель «шарика на нитке» быстрой инактивации потенциал-зависимых K+-каналов.Когда мембрана деполяризуется, канал открывается и начинает проводить ионы. Если деполяризациясохраняется, открытый канал принимает неактивную конформацию, в которой пора закрыта 20 аминокислотами N-конца, образующими «шарик» на участке несвернутой полипептидной цепи — «нитки».Для наглядности показаны только два шарика; на самом деле их четыре, по одному от каждой субъединицы.
Предполагается, что сходный механизм инактивирует Na+-каналы, но там участвует другой участокполипептидной цепи. Внутренние силы стабилизируют каждое состояние по отношению к небольшимвозмущениям, но достаточно сильное столкновение с другой молекулой может заставить канал перейтииз одного состояния в другое. Состояние с наименьшей энергией зависит от мембранного потенциала,потому что различные конформации отличаются распределением зарядов.
Когда мембрана находитсяв покое (высокополяризована), закрытая конформация имеет наименьшую свободную энергию и,следовательно, стабильна; когда мембрана деполяризована, энергия открытой конформации ниже,поэтому вероятность открытия канала велика. Но свободная энергия инактивированной конформацииеще меньше, поэтому после случайным образом изменяющегося времени пребывания в открытом состоянии канал инактивируется. Таким образом, открытая конформация соответствует метастабильномусостоянию и существует лишь временно. Красными стрелками показана последовательность событийпосле внезапной деполяризации; черной стрелкой показано возвращение в исходную конформацию,соответствующую состоянию с наименьшей энергией после реполяризации мембраны.нервной системе.
Эти глиальные клетки плотной спиралью наматывают слойза слоем свою плазматическую мембрану на аксон (рис. 11.32, а и б), изолируяаксональную мембрану таким образом, что через нее почти не происходит утечкитока. Миелиновые оболочки через равные промежутки прерываются перехватамиРанвье, в которых сосредоточены почти все Na+-каналы аксона (см. рис. 11.32, в).Поскольку не покрытые миелином участки аксональной мембраны обладают отличными кабельными свойствами (другими словами, они электрически ведут себякак высокотехнологичный подводный телеграфный кабель), деполяризация мембраны в одном перехвате почти немедленно пассивно переходит на другой перехват.Таким образом, потенциал действия распространяется по аксону, перепрыгивая1164Часть IV.
Внутренняя организация клеткиРис. 11.32. Миелинизация. (а) Миелинизированный аксон периферического нерва. Каждая шванновская клетка обматывает свою плазматическую мембрану вокруг аксона, образуя участок миелиновойоболочки длиной около 1 мм. Укладка мембранных слоев миелина на этом рисунке для наглядностипоказана менее компактной, чем она есть в реальности (см.
часть б). (б) Электронная микрофотография среза нерва ноги молодой крысы. Видны две шванновские клетки: одна внизу только начинаетмиелинизировать свой аксон; клетка над ней уже почти сформировала зрелую миелиновую оболочку.(в) Флуоресцентная микрофотография и схема отдельных миелинизированных аксонов нерва. Окрашивание антителами позволило обнаружить три различных белка. Потенциал-зависимые Na+-каналы(окрашенные зеленым) сконцентрированы в аксональной мембране в перехватах Ранвье. Внеклеточныйбелок (носящий название Caspr, окрашен красным) отмечает конец каждой миелиновой оболочки.Caspr концентрируется в областях контакта, где плазматическая мембрана глиальных клеток плотнопримыкает к аксону, создавая электрический запор.
Потенциал-зависимые K+-каналы (окрашенныесиним) расположены в плазматической мембране аксонов вблизи перехватов. (б, из Cedric S. Reine,в Myelin [P. Morell, ред.]. New-York: Plenum, 1976; в, из M. N. Rasband and P. Shrager, J. Physiol. 525: 63–73,2000. С любезного разрешения издательства Blackwell Publishing.)от перехвата к перехвату. Этот процесс называется сальтаторным (скачущим)проведением. Такой тип проведения имеет два значительных преимущества: потенциал действия распространяется быстрее, и сохраняется метаболическая энергия,Глава 11.
Мембранный транспорт малых молекул 1165поскольку активное возбуждение ограничивается маленькими участками аксональнойплазматической мембраны в перехватах Ранвье.11.3.9. Пэтч-кламп указывает на то, что отдельные каналы открываются по принципу «все или ничего»Плазматическая мембрана нейронов и клеток скелетных мышц содержит тысячипотенциал-зависимых Na+-каналов. Ток через мембрану представляет собой суммутоков через все эти каналы. При помощи внутриклеточного микроэлектрода можнозарегистрировать этот совокупный ток, как показано на рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
