1625915635-92a031038627ac3eac2957c3e668e3ef (843953), страница 11
Текст из файла (страница 11)
Кроме того, емкостные свойства клеточных мембран являются41одной из причин, определяющих временные характеристики электриче¬ских процессов, протекающих на клеточных мембранах.Проводимость (g) — величина, обратная электрическому сопротивле¬нию и равная отношению величины общего трансмембранного тока дляданного иона к величине, обусловившей его трансмембранной разностипотенциалов.Через фосфолипидный бислой могут диффундировать различные веще¬ства, причем степень проницаемости (Р), т.е. способность клеточной мемб¬раны пропускать эти вещества, зависит от разности концентраций диф¬фундирующего вещества по обе стороны мембраны, его растворимости влипидах и свойств клеточной мембраны. Скорость диффузии для заряжен¬ных ионов в условиях постоянного поля в мембране определяется подвиж¬ностью ионов, толщиной мембраны, распределением ионов в мембране.Для неэлектролитов проницаемость мембраны не влияет на ее проводи¬мость, поскольку неэлектролиты не несут зарядов, т.е.
не могут перено¬сить электрический ток.Проводимость мембраны является мерой ее ионной проницаемости.Увеличение проводимости свидетельствует об увеличении количестваионов, проходящих через мембрану.Строение и функции ионных каналов. Ионы Na , K , С а , Сl прони¬кают внутрь клетки и выходят наружу через специальные, заполненныежидкостью каналы. Размер каналов довольно мал (диаметр 0,5—0,7 нм).Расчеты показывают, что суммарная площадь каналов занимает незначи¬тельную часть поверхности клеточной мембраны.Функцию ионных каналов изучают различными способами.
Наиболеераспространенным является метод фиксации напряжения, или «voltageclamp». Сущность метода заключается в том, что с помощью специальныхэлектронных систем в процессе опыта изменяют и фиксируют на опреде¬ленном уровне мембранный потенциал. При этом измеряют величинуионного тока, протекающего через мембрану. Если разность потенциаловпостоянна, то в соответствии с законом Ома величина тока пропорцио¬нальна проводимости ионных каналов. В ответ на ступенчатую деполяри¬зацию открываются те или иные каналы, соответствующие ионы входят вклетку по электрохимическому градиенту, т.е.
возникает ионный ток, ко¬торый деполяризует клетку. Это изменение регистрируется с помощьюусилителя и через мембрану пропускается электрический ток, равный повеличине, но противоположный по направлению мембранному ионномутоку. При этом трансмембранная разность потенциалов не изменяется.Совместное использование метода фиксации потенциала и специфическихблокаторов ионных каналов привело к открытию различных типов ионныхканалов в клеточной мембране. Для натриевых каналов таким специфиче¬ским блокатором является тетродотоксин (ТТХ), для калиевых — тетраэтиламмоний (ТЭА), для кальциевых — D-600, верапамил.В настоящее время установлены многие типы каналов для различныхионов (табл.
2.1). Одни из них весьма специфичны, другие, кроме основ¬ного, могут пропускать и другие ионы.Изучение функции отдельных каналов возможно методом локальнойфиксации потенциала «path-clamp». Стеклянный микроэлектрод заполняютсолевым раствором, прижимают к поверхности мембраны и создают небо¬льшое разрежение. При этом часть мембраны подсасывается к микроэлект¬роду. Если в зоне присасывания оказывается ионный канал, то регистриру¬ют активность одиночного канала. Система раздражения и регистрации ак¬тивности канала мало отличается от системы фиксации напряжения.42++2+-Т а б л и ц а 2.1.
Важнейшие ионные каналы и ионные токи возбудимых клетокТокКаналХарактеристикаБлокаторыКалиевый канал, Iк+состояние покоя (утечка)Отвечает за утечку ка¬ ТЭАлия в покоеНатриевыйБыстро активируетсяпри деполяризации,затем следует потенциалзависимая инак¬тивацияМедленная активацияпри деполяризации;инактивация зависитот мембранного по¬тенциалаЗадержанная актива¬ция при деполяриза¬цииАктивируется (Ca)iКальциевая активацияусиливается при депо¬ляризацииканалКальциевыйканалIСа2+Калиевый канал, I (V)K+задержанное вы¬прямлениеКалиевый каль- I (Са )ций-активируемый канал2+K+ТТХФункцияВ основном созда¬ниепотенциалапокояГенерация перед¬него фронта ПДD-600,верапамилГенерация медлен¬ных деполяризую¬щих потенциаловТЭА (внут¬ри- и внеклеточно)ТЭА (внеклеточно)ОбеспечиваетреполяризациюОбеспечивает ре¬поляризацию нат¬риевых и кальцие¬вых ПДТок через одиночный ионный канал имеет прямоугольную форму иодинаков по амплитуде для каналов различных типов.
Длительность пре¬рывания канала в открытом состоянии имеет вероятностный характер, нозависит от величины мембранного потенциала. Суммарный ионный токОпределяется вероятностью нахождения в открытом состоянии в каждыйконкретный период времени определенного числа каналов.Наружная часть канала сравнительно доступна для изучения, исследо¬вание внутренней части представляет значительные трудности. П.Г.
Кост.r и сотр. разработали метод внутриклеточного диализа, который позво¬ляет изучать функцию входных и выходных структур ионных каналов безприменения микроэлектродов. Оказалось, что часть ионного канала, от¬крытая во внеклеточное пространство, по своим функциональным свойст¬вам отличается от части канала, обращенной во внутриклеточную среду.Именно ионные каналы обеспечивают два важных свойства мембраны:селективность и проводимость.v Селективность, ИЛИ избирательность, канала обеспечивается его особойбелковой структурой. Большинство каналов являются электроуправляемыми, т.е. их способность проводить ионы зависит от величины мембранногопотенциала.
Канал на своем протяжении неоднороден по функциональнымхарактеристикам; особенно это касается белковых структур, находящихся увхода в канал и у его выхода (так называемые воротные механизмы).Рассмотрим принцип работы ионных каналов на примере натриевогоканала. Полагают, что в состоянии покоя натриевый канал закрыт. ПриДеполяризации клеточной мембраны до определенного уровня происходитоткрытие m-активационных ворот (активация) и усиление поступленияNa внутрь клетки. Через несколько миллисекунд (мс) после открытияm-ворот происходит закрытие h-ворот, расположенных у выхода натрие¬вых каналов (инактивация) (рис. 2.2).
Инактивация развивается в клеточ+43СнаружиV,Активированное состояниеДеполяризацияРис. 2.2. Работа натриевых каналов и «воротных» механизмов.А — в покое m-активационные ворота («m-ворота») закрыты; Б — при возбуждении «h-ворота» открыты; В — закрытие «h-ворот» (инактивация) при деполяризации.ной мембране очень быстро и степень инактивации зависит от величины ивремени действия деполяризующего стимула.Работа натриевых каналов определяется величиной мембранного по¬тенциала.
Рассчитано, что активированный натриевый канал пропускаетвсего 6000 ионов за 1 мс. При этом весьма существенный натриевый ток,который проходит через мембрану во время возбуждения, представляет со¬бой сумму тысяч одиночных токов.При генерации одиночного потенциала действия в толстом нервном во¬локне изменение концентрации Na во внутренней среде составляет всего1/100 000 от внутреннего содержания N a гигантского аксона кальмара.Однако для тонких нервных волокон это изменение концентрации можетбыть весьма существенным.Кроме натриевых, в клеточных мембранах установлены другие виды ка¬налов, избирательно проницаемые для отдельных ионов: К , С а , причемсуществуют разновидности каналов для этих ионов (см. табл.
2.1).Ходжкин и Хаксли сформулировали принцип «независимости» кана¬лов, согласно которому потоки натрия и калия через мембрану независи¬мы друг от друга.Свойство проводимости различных каналов неодинаково. В частности,для калиевых каналов процесса инактивации, в отличие от натриевых ка¬налов, не существует. Имеются особые калиевые каналы, активирующиесяпри повышении внутриклеточной концентрации кальция и деполяризацииклеточной мембраны. Активация калий-кальцийзависимых каналов уско¬ряет реполяризацию, тем самым восстанавливая исходное значение потен¬циала покоя.Особый интерес представляют кальциевые каналы.44+++2+Входящий кальциевый ток, как правило, недостаточно велик, чтобы де¬поляризовать клеточную мембрану. Чаще всего поступающий в клетку ка¬льций выступает в роли «мессенджера», или вторичного посредника.
Ак¬тивация кальциевых каналов обеспечивается деполяризацией клеточноймембраны, например, входящим натриевым током. Процесс инактивациикальциевых каналов достаточно сложен. С одной стороны, повышениевнутриклеточной концентрации свободного кальция приводит к инактива¬ции кальциевых каналов; с другой — белки цитоплазмы клеток связываюткальций, что позволяет поддерживать длительное время стабильную вели¬чину кальциевого тока, хотя и на низком уровне; при этом натриевый токполностью подавляется.2.1.3.
Методы изучения возбудимых клетокЭлектрические явления, которые возникают в возбудимых тканях, обу¬словлены электрическими свойствами клеточных мембран. Поэтому необ¬ходимо остановиться на методических подходах современной физиологиивозбудимых тканей, используемых при исследовании электрических ха¬рактеристик клеточных мембран.Любая физиологическая установка, предназначенная для изучения воз¬будимых клеток и тканей, должна содержать следующие основные элемен¬ты: 1) электроды для регистрации и стимуляции; 2) усилители биоэлектри¬ческих сигналов; 3) регистратор; 4) стимулятор; 5) систему для обработкифизиологической информации. Поскольку в современной медицине ши¬роко используются методы электрофизиологического исследования и воз¬действия электрическим током, необходимо кратко познакомиться сосновными методическими приемами.•. При работе на изолированных органах, тканях и отдельных клеткахприменяют специальные камеры и растворы определенного состава, на¬пример Рингера—Локка, Тироде, Хэнкса, позволяющие в течение длите¬льного времени поддерживать нормальную жизнедеятельность биологиче¬ского объекта.
Во время эксперимента раствор должен быть насыщен кис¬лородом и иметь соответствующую температуру (для холоднокровных жи¬вотных +20 °С, для теплокровных +37 °С). В процессе эксперимента необ¬ходимо использовать проточные камеры для непрерывного обновленияраствора, в котором находится биологический объект.При электрофизиологических исследованиях используют различныетипы электродов, детальное описание которых можно найти в соответствующих руководствах. В то же время существуют определенные требова¬ния ко всем без исключения электродным системам., Электроды, которые используют в эксперименте, должны оказыватьминимальное влияние на объект исследования, т.е.
они должны толькопередавать информацию от объекта или на объект.Если в электрофизиологическом эксперименте исследуют собственноПроцесс возбуждения, то применяют два электрода с различной величи¬ной площади контактной поверхности (желательно в соотношении неменее 1:100). При этом электрод меньшей площади называют активным,или референтным, большей площади — пассивным, или индифферент¬ным. При исследовании процесса распространения возбуждения исполь¬зуют два активных электрода с одинаковой площадью контактных повер¬хностей, устанавливаемых на возбудимой ткани на некотором расстоянииДруг от друга, и индифферентный электрод, который устанавливают в от-45далении. В первом случае говорят о моно-(уни-)полярном способе отве¬дения потенциала (раздражении), во втором — о биполярном способе.Необходимо подчеркнуть, что термин «униполярный» способ весьмаусловен, поскольку всегда регистрируется разность потенциалов, а не аб¬солютное значение потенциала.Поскольку работа с биологическим объектом подразумевает контактэлектрода с жидкостью, содержащейся в биологическом объекте, высокавероятность возникновения контактных поляризационных потенциалов,которые могут существенно исказить результаты исследования.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
