Беркинблит, Глаголева - Электричество в живых организмах (Квант) - 1988 (947484), страница 18

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 18)

немецкий ученый Шефер, используя гораздо более совершенные приборы, вновь получил тот же самый результат, казалось бы, ученых должно ( было насторожить такое противоречие с теорией: методы измерения были до- -тла статочно точны, чтобы считать полученную разницу Ри' (8. Реальный потенциал Левстввя (сплошяая кривая) между ПП и ПД в 15 — 20мВ отличается от предсказаивого существенной. Но все же и теорией Бернштейны (штрихоэто несоответствие склонны ваЯ врввдв). СтРелка Яеказмбыли объяснять скорее недо- вает вехвчвау свернута статками эксперимента, чем недостатками теории.

Тревога поднялась только в 1939 г. Одновременно две группы исследователей в двух местах — Кол и Кертис, работавшие на морской станции Океанологического института в Вудс-Холе (США), и Ходжкин и Хаксли, работавшие на морской станции в Плимуте (Англия),— измерили ПД и ПП на самом совершенном уровне тогдапшей экспериментальной техники: они взяли гигантский ансон кальмара, т. е. одиночное нервное волокно, ввели электрод внутрь волокна и смогли таким образом непосредственно измерить разность потенциалов менялу внутренней и внешней сторонами мембраны одной клетки, а не на пучке волокон. Оказалось, что в покое па мембране разность потен- 81 циалов равна примерно 80 мВ («минус» — внутри волокна), а при возбуждении мембрана не разрллсаетсл, как предполагал Бернштейн (т.

е. потенциал не падает до нуля), а перезарлжается: «минус» оказывается снаружи, а «плюс» — внутри. При атом на мембране возникает разность потенциалов, равная примерно 40 мВ. Значит, при возбуждении потенциал на мембране меняется не на величину ПП, а на сумму ПП и вновь возникающего потенциала (рис. 18). Вот почему эксперименты так упорно показывали превышение ПД над ПП.

Зто превышение назвали «овершут» *). Таким образом, вариант с «дыркой» не прошел: возникновение ПД нельзя было объяснить закорачиванием мембраны. Опыты с измерением сопротивления мембраны предсказывали, что ПД должен быть меньше ПП, а на самом деле он оказался, напротив, заметно больше ПП. Кагг же они не догадались! Надо было объяснить возникновение этого «дополнительного» потенциала. На самом деле для решения этой задачи все данные были уже известны, основные идеи высказаны — оставалось только их сопоставить и сделать решающий вывод.

Попробуйте сами, не читая дальше, посмотреть эти данные на с. 67, 70 и 76 и придумать механизм возникновения ПД, для чего фактически достаточно заполнить многоточия в помещенной кинге схеме. ПП (снаружи <+>, внутри < — >) ПД (внутри <+>, снаружи <->) возникает из-за того, что при возбуждении... снаружи больше, внутри меньше и мем- брана проницаема дли... в понос ионов калия (К<) внутри больше, снаружи меньше и мембрана проницаема для ионов калия Сделав это, вы получите, по существу, формулировку так называемой натриевой гипотезы потенциала действия,, 82 ') <Овершут> — зто русская транскрипция английского отетз)>оог — <превышение>.

авторами которой является уже знакомый нам Ходжкин и его сотрудник Хаксли. Суть этой гипотезы заключается в том, что при возбуждении мембрана не просто полностью утрачивает избирательную проницаемость (как в варианте с «дыркой»), а меняет ее: из проницаемой главным образом для К+ мембрана становится проницаемой главным образом для Ха+. А так как натрия снаруя<и больше, то он «лозет» внутрь и перезаряжает мембрану — получается как бы «ПП наоборот». Этим легко объясняется овершут. Как видите, натриевая гипотеза настолько органично вписывается в мембранную теорию, что может покаааться странным, что в противоречии существования овершута с мембранной теорией не могли разобраться свыше десяти лет. Но этот факт легко объясняется, если вспомнить, что овершут был обнаружен в 1939 г.

Как когда-то первая мировая война помешала Бернштейну исследовать гипотеау «дырок», так начавшаяся 1 сентября 1939 г. вторая мировая война заставила Ходжкина и Хаксли отлон<ить свои исследования. Во время войны Ходжкин работал в министерстве ВВС и занимался разработкой радиолокационных станций. Лишь после войны, в конце 40-х — начале 50-х годов, натриевая гипотеза превращается в стройную, экспериментально доказанную и логически безупречную натриевую теорию. От гипотезы до теории Первая экспериментальная проверка гипотеаы была предпринята А. Ходжкином и Б. Катцем в 1949 г. Исследователи решили посмотреть, как влияет на величину ПД изменение концентраций калия и натрия в наружной среде. Они показали, что амплитуда ПД зависит от изменений концентрации натрия так же, как величина ПП зависит от концентрации калия, т.

е. подчиняется формуле Нернста. Это было хотя и косвенное, но сильное подтвер»кдение натриевой гипотезы: ведь это и означает, что в возбужденной мембране калиевая проницаемость сменяется натриевой. Испольауя более тонкий метод для сопоставления проницаемости мембраны для калия и натрия, Ходжкин и Катц установили, что в покое мембрана примерно в 25 раз более проницаема для калия, чем для натрия, а при возбужде- 83 нии, наоборот, проницаемость для натрия становится примерно в 20 раз выше, чем для калия.

Основная идея натриевой гипотезы была подтвэр«кдена с помощью метода меченых атомов в 1951 г. Кейнесом и др. Они показали, что во время возбуждения в нервное волокно действительно входит гораздо балыке ионов «та+, чем в покое. Оказалось, что и выход калия наружу тоже не перекращается, даже наоборот, становится сильнее, чем в покое.

Итак, основная идея, введенная Ходжкином и Хаксли в мембранную теорию, идея о том, что проницаемость мембраны для того или иного иона не является величиной постоянной, а может меняться в зависимости от условий, оказалась верной. Но одной этой общей идеи для объяснения механизма возбуждения и всех явлений, связанных с ним (существования горога, рефрактерности и яр.), было явно недостаточно.

Пока не было установлено, иак в действительности во время возбуждения меняется проницаемость мембраны для калия и для натрия и, главное, от каких условий зависят эти изменения. Опыты с внутриклеточным раздражением аксона показывали, что для возникновения возбуждения необходимо изменить на определенную величину мембранный потенциал, довести его до порогового значения.

Изменения порога в течение рефрактерного периода зависели от времени. Была известна зависимость «сила — длительность» и т. д. Поэтому Ходжкин и Хаксли предположили, что проницаемость мембраны определяотся двумя факторами: мембранным потенциалом и временем, прошедшим с момента измонения потенциала. Надо было выяснить, верно ли это предположение. А выяснить это было чрезвычайно трудно, и ие только потому, что процесс возбуждения, как мы уже не раз отмечалк, очень быстрый. Дело еще и в том, что всякое наменение потенциала на мембране — а в этом, по существу, и состоит явление возбуя<дения — вызывает, согласно гипотезе, изменение проницаемости и для натрия, и для калия, а изменение проницаемости сейчас же меняет потенциал.

Существенно также, что всякое изменение потенциала сейчас же выаывает в мембране емкостный ток: ведь в электрическом отношении мембрана — это сопротивление и емкость, включенные параллельно. Решающую роль в экспериментальных исследованиях проницаемости клеточной мембраны сыграла равработка Ходжкином и Хаксли так называемого метода фиксации потенциала. Вот где пригодился Ход>ккину опыт, приобретенный во время войны в работе с радарными установками! Ходжкин сконструировал специальный прибор, который с помощью электронных схем улавливал малейшие изменения мембранного потенциала и очень быстро подавал на мембрану ток, компенсирующий эти изменения.

С помощью такой управляющей схемы с обратной связью на мембране поддерживалсн постоннный потенциал„ причем в течение любого нун ного времени. Теперь, можно скавать, руки были развязаны: во-первых, раз потенциал на мембране не меняется, ток через емкость не идет; во-вторых, зафиксировав потенциал, можно было проверить, действительно ли, как предполагалось, проницаемость меняется со временем уже сама по себе, независимо от потенциала.

Опыт ставилси так. На мембране за очень короткое время (несколько сотен микросекунд) устанавливали необходимую разность потенциалов и поддерживали ее на заданном уровне достаточно долго (несколько миллисекунд), регистрируя ток, пропускаемый через мембрану. При этом сила тока была пропорциональна проводимости *) мембраны в данный момент времени. Чтобы разделить калиевую и натриевую проницаемости, использовали в качестве окрунтающей волокно среды раствор, содержащий только исследуемый ион, или специальные вещества, которые препятствовали прело>>тлению другого иона через мембрану.

Проведя на своей установке обширную серию экспериментов, Ходжкин и Хаксли получили эмпирические *) В опытах с фиксацией потелциала можно было измерить только проводимость мембраны, мы же до сих пор рассунгдали о ее проницаемости для того или иного иона. Проводимость и проницаемость — два равных понятия. Проницаемость — характеристика мембранных свойств, проводи>гость — электрически>т параметр. Различно между этими понятиями хороню видно нз такого примера.

Если из среды совсем убрать ионы калин, то проницаемость мембраны для калия пе изменится (она не зависит от содержания этих конов в среде), но калиевая проводимость станет равной нулю, так как при любой разности потенциалов калиевый ток будет равным нулю. Однако при нор>гальиых концентрациях ионов проницаемость мембраны и ее проводимость меняются одинаково и поэтому опыты с фиксацией потенциала позволяют определить и изменения проницаемости мембраны длн калия и натрия, .Т, мА(смс 7 графики зависимостей изменения проницаемости от сдвига потенциала и времени, точнее, «среэы» этих функций для различных значений потенциала.

Было показано, что каждый сдвиг МП от положения равновесия, т. е. от ПП, равного 80 мВ, действительно вызывает изменение проницаемости мембраны и для калия, и для натрия. Результат одного иэ таких опытов по изучению калиевой проницаемости показан на рис. $9. Здесь по оси ординат отложен ток, проходящий череа единицу поверхности мембраны, а по оси абсцисс — время, начиная с момента установления потенциала на эаданном уровне. Видно, что ток постепенг + тес но нарастает, а это значит, что сопротивление мембраны Рлс.

Характеристики

Список файлов книги