Мембранні потенціали спокою і їх іонна природа. Механізм генерації потенціалу дії. Поширення потенціалу дії по мієлінових і безміеліновим аксонам.
1) Потенціал спокою і потенціал дії є за своєю природою мембранними потенціалами, зумовленими напівпроникними властивостями клітинної мембрани і нерівномірним розподілом іонів між кліткою і середовищем, яке підтримується механізмами активного перенесення, локалізованими в самій мембрані.
Між внутрішньою і зовнішньою поверхнями клітинної мембрани завжди існує різниця електричних потенціалів. Ця різниця потенціалів, виміряна в стані фізіологічного спокою клітини, називаетсяпотенціалом спокою.
Як було встановлено, виникнення потенціалу спокою обумовлено, в основному, наявністю концентраційного градієнта іонів калію і неоднаковою проникністю клітинних мембран для різних іонів.
2) Всі клітини збудливих тканин при дії різних подразників достатньої сили здатні переходити в стан збудження. Обов'язковою ознакою порушення є зміна електричного стану клітинної мембрани. Загальна зміна різниці потенціалів між клітиною і середовищем, що відбувається при пороговому і сверхпороговое порушення клітин, називається потенціалом дії.
Потенціали дії забезпечують проведення збудження по нервових волокнах і ініціюють процеси скорочення м'язових і секреції залізистих клітин.
На основі узагальнення великого експериментального матеріалу було встановлено, що потенціали дії виникають в результаті надмірного в порівнянні зі спокоєм дифузії іонів натрію з оточуючої рідини всередину клітини.
Формування потенціалу дії обумовлено двома іонними потоками через мембрану: потік іонів натрію всередину клітини призводить до перезарядження мембрани, а протилежно спрямований потік іонів калію обумовлює відновлення вихідного потенціалу спокою. Потоки приблизно рівні за величиною, але зрушені в часі. Завдяки цьому зрушенню в часі і можлива поява потенціалу дії.
Потенціал дії, виникнувши в одній ділянці нервової клітини, швидко поширюється по всій її поверхні. Поширення потенціалу дії обумовлено виникненням так званих локальних струмів, що циркулюють між збудженим і збудженому ділянками клітини.
У стані спокою зовнішня поверхня клітинної мембрани має позитивний потенціал, а внутрішня - негативний. У момент порушення полярність мембрани змінюється на зворотну: її зовнішня поверхня заряджена негативно по відношенню до внутрішньої.
На поверхні клітини локальний струм тече від збудженому ділянки до порушеної; всередині клітини він тече в зворотному напрямку. Локальний струм, як і будь-який електричний струм, подразнює сусідні незбуджені ділянки і викликає збільшення проникності їх мембран. Це призводить до зниження в них потенціалу спокою. Коли деполяризація досягає критичного значення, в цих ділянках виникають потенціали дії, а в тій ділянці, який раніше був збудженим, в цей час уже відбуваються відновні процеси реполяризації. Знову збуджений ділянку, в свою чергу, стає електронегативний і виникає локальний струм дратує наступний за ним ділянку. Цей процес багаторазово повторюється і обумовлює поширення імпульсів збудження по всій довжині клітини в обох напрямках. У нервовій системі проходження імпульсів тільки в певному напрямку обумовлено наявністю синапсів, що володіють односторонньою провідністю.
Під впливом локальних струмів хвиля збудження поширюється уздовж волокна без загасання (бездекрементное проведення). Це обумовлено тим, що локальні струми тільки деполярізуют мембрану до критичного рівня, а потенціали дії в кожній ділянці мембрани підтримуються незалежними іонними потоками, перпендикулярними до напрямку поширення збудження.
Швидкість проведення імпульсу зростає зі збільшенням діаметра волокна. Це пояснюється тим, що зі збільшенням діаметра зменшується опір, що припадає на одиницю довжини волокна.
У нервових волокнах характер поширення збудження залежить від наявності або відсутності в них мієлінових оболонок. У безмякотних волокнах збудження поширюється безперервно вздовж всієї мембрани. Всі ділянки мембрани при цьому свого часу стають збудженими. У м'якушевих нервових волокнах збудження поширюється дещо по-іншому. Мозкових нервові волокна мають товсті мієлінові оболонки, які через 1 - 3 мм переривається з утворенням так званих перехоплень Ранвье.
В електричному відношенні мієлін є ізолятором; його питомий опір в 10 млн. разів перевищує питомий опір розчину Рінгера. В результаті цього локальні струми через мієлінові оболонки протікати не можуть; вони циркулюють між перехопленнями Ранвье. При порушенні одного перехоплення Ранвье між ним і наступним перехопленням виникають локальні струми і імпульс ніби перескакує на другий перехоплення, з другого - на третій і т.д. Такий спосіб проведення нервового імпульсу називається сальтаторного. При блокуванні одного перехоплення Ранвье будь-яким анестезуючу речовиною, наприклад кокаїном, імпульс відразу передається на третій перехоплення. При блокуванні відразу двох перехоплень імпульс далі поширюватися не може: опір між першим і четвертим перехопленнями велике, і локальний струм між ними не досягає порогового значення.
В результаті сальтаторного способу передачі швидкість поширення першого імпульсу в м'якушевих волокнах приблизно в 10 разів вище, ніж в безмякотних, при однаковому діаметрі волокон. Крім цього, сальтаторного спосіб проведення збудження є більш економічним, оскільки в цьому випадку іонні потоки проходять не через всю поверхню клітини, як при безперервному поширенні, а тільки через поверхню в області перехоплень Ранвье.
Будова і фізичні властивості біологічних мембран. Пасивний і активний транспорт речовин через біологічні мембрани. Його математичний опис.
1) Біологічні мембрани є важливою частиною клітини. Вони обмежують клітку від навколишнього середовища, захищають її від шкідливих зовнішніх впливів, керують обміном речовин між клітиною і її оточенням, сприяють генерації електричних потенціалів, беруть участь в синтезі універсального акумулятора енергії - аденозинтрифосфорної кислоти (АТФ) в мітохондріях і т. Д. По суті, мембрани формують структуру клітини і здійснюють її функції. Порушення функцій клітинної та внутрішньоклітинної мембран лежить в осно-ве незворотного пошкодження клітин і, як наслідок, розвитку важких захворювань серцево-судинної, нервової, ен-докрінной систем тощо.
Будова і моделі мембран.
Всі клітини оточені мембранами (цитоплазматическими, або зовнішніми клітинними мембранами). Без мембрани вміст клітини просто б «розтеклося», дифузія привела б до Термодім-наміческіх рівноваги, що означає відсутність життя. Можна сказати, що перша клітина з'явилася тоді, коли вона змогла відокремитися від навколишнього середовища мембраною. Внутрішньоклітинні мембрани поділяють клітину на ряд замкнутих відсіків (компартаментов), кожен з них виконує певну функцію.
Незважаючи на різноманітність біологічних функцій і форм, всі мембрани побудовані в основному з ліпідів і білків. Інші сполуки, що зустрічаються в мембрані (наприклад, вуглеводи), хімічно пов'язані з ліпідами, або з білками. Ліпідна молекула складається з двох частин: несучої електричні заряди (полярної) голівки, на яку припадає, як правило, чверть довжини всієї молекули, і довгих хвостів, що не несу-щих електричного заряду (гідрофобних). Хвости ліпідної молекули - це довгі ланцюги, побудовані з атомів вуглецю і водню (залишки жирних кислот). Головки можуть мати різноманітне будова, проте вони заряджені або негативно, або нейтральні. Сполучною ланкою між хвостом і головкою найчастіше служить залишок гліцерину.
Набір мембранних білків, що виконують спеціалізовані функції, різниться в цитоплазматичних мембранах і мембранах внутрішньоклітинних структур. У той же час будь-яка мембрана своєї структурної основою має ліпідний бішар, що складається з двох мономолекулярних плівок ліпідів, звернених один до одного гідрофобними хвостами і контактують з навколишнім середовищем полярними головками. У всіх мембранах бислой виконує дві основні функції: матричну і бар'єрну. З одного боку, бислой є структурною основою для розміщення основних рецепторних і ферментних систем клітини, з іншого боку, подвійний шар ліпідів є перешкодою для іонів і водорозчинних молекул. плазматична мембрана тваринних і рослинних клітин виглядає як тришарова структура. Плазматичноїмембрани еритроцита складається зі світлого шару, відповідного фосфоліпідів бислоя, і двох темних шарів - вони являють собою полярні головки і білки. Товщина мембран в залежності від виду становить величину від 4 до 13 нм.
Вимірювання рухливості молекул мембран і дифузії частинок через мембрану свідчить про те, що біліпідний шар поводиться подібно рідини. У той же час мембрана є упорядкованою структурою. Ці два фактори змушують думати, що ліпіди в мембрані при її природному функціонуванні знаходяться в рідкокристалічному стані. В'язкість ліпідного бішару на два порядки більше в'язкості води і відповідає приблизно в'язкості олії. Однак при зниженні температури відбувається фазовий перехід, в результаті якого ліпіди бішару перетворюються в гель (твердо-кристалічний стан).
Процес «пла-тичних» мембранних фосфоліпідів при збільшенні температури (зліва направо). Очевидно, що при цьому змінюється товщина подвійного шару - в стані гелю вона більше, ніж в рідкокристалічному .. При фазових переходах в бішарі можуть утворюватися канали, за якими через мембрану здатні проходити різні іони і низькомолекулярні сполуки, розмір яких не перевищує 1-3 нм .
Проникність мембран для різних речовин залежить від поверхневого заряду, який створюється зарядженими головками ліпідів, що додають мембрані переважно негативний заряд. Це призводить до того, що на кордоні мембрана - вода созда-ється міжфазовий стрибок потенціалу (поверхневий потенціал) того ж знака, що і заряд на мембрані. Величина цього потенціалу відіграє велику роль в процесах зв'язування іонів мембраною. Крім поверхневого потенціалу, для нормального функціонує-вання ферментних і рецепторних мембранних комплексів величезне значення має трансмембранний потенціал, природа ко-торого буде розглянута нижче. Величина цього потенціалу складає 60-90 мВ (зі знаком мінус з боку цитоплазми). Через дуже малої товщини мембран напруженість електричного поля в них досягає величини близько (6-9) • 10 6 В / м.
Мембрана за своєю структурою нагадує плоский конденсатор, обкладки якого утворені поверхневими білками, а роль діелектрика виконує ліпідний бішар. Ємність такого конденсатора становить значну величину (табл. 18). Використовуючи формулу плоского конденсатора, можна оцінити діелектричну проникність гидрофобной і гидрофильной областей мембран, знаючи межі зміни товщини мембрани. Такі оцінки дають для фосфоліпідної області мембрани значення = 2,0-2,2, а для гидрофильной частини = = 10-20.
Мембрани мають високу міцність на розрив, стійкості-востью і гнучкістю. За електроізоляційним властивостям вони значно перевершують багато ізоляційні матеріали, при-змінювані в техніці. Загальна площа мембран в органах і тканинах досягає величезних розмірів.
Важливим елементом функціонування мембран є їх здатність пропускати або не пропускати молекули (атоми) і іони. Істотно, що ймовірність такого проникнення годину-тиц залежить як від напрямку їх переміщення, наприклад в клітку або з клітки, так і від різновиду молекул і іонів.
Ці питання розглядаються в розділі фізики, що відноситься до явищ переносу. Таким терміном називають незворотні процеси, в результаті яких у фізичній системі відбувається із-дит просторове переміщення (перенесення) маси, імпульсу, енергії, заряду або будь-якої іншої фізичної величини.
До явищ перенесення відносять дифузію (перенесення маси вещест-ва), в'язкість (перенесення імпульсу), теплопровідність (перенесення енер-гии), електропровідність (перенесення електричного заряду). Тут і в наступних параграфах розглядаються найбільш суттєві для біологічних мембран явища: перенесення речовини і перенесення заряду. Як синонім перенесення частинок в біофізики широке поширенням страненіе отримав також термін транспорт частинок.
2) Явища переносу відносяться до пассівномутранспорту: дифузія молекул і іонів в напрямку їх мень-шей концентрації, переміщення іонів відповідно до направле-ням сили, що діє на них з боку електричного поля. Пасивний транспорт не пов'язаний з витратою хімічної енергії. Найбільш загальна класифікації видів пасивного транспорту речовин через мембрану включає в себе просту дифузію, дифузію через пори і дифузію з переносником.
Проста дифузія через ліпідний бішар підпорядковується рівнянню Фіка для молекул J = P (сi-c0) або, в більш загальному випадку для нейтральних і заряджених частинок, - рівняння Нернста- Планка В живій клітині така дифузія забезпечує проходження кисню і вуглекислого газу. Однак подібна проста дифузія протікає досить повільно і не може забезпечити клітку в потрібній кількості поживними речовинами. Тому є інші механізми пасивного перенесення речовин через мембрану, до них відносяться дифузія через канал (пору) і дифузія в комплексі з переносником. Два останніх варіанти називають іноді полегшеної дифузії.
Часом або каналом називають ділянку мембрани, що включає ліпідні або білкові молекули і утворює в мембрані прохід. Цей канал допускає проникнення через мембрану не тільки малих молекул, наприклад, молекул по-ди, кисню, але і більших іонів. Канали можуть проявляти селективність (вибірковість) по відношенню до різних іонів, це проявиться і в розходженні проникності для різних іонів.
Ще одне «полегшення» дифузії - перенесення іонів спеціальними молекулами-переносниками. При цьому пе-реносчік може бути рухомим або нерухомим. Так, антибіотик валиномицин при зв'язуванні з іоном калію утворює розчинний у ліпідах комплекс і проходить через мембрану. Молекули іншого антибіотика, граміцидину, утворюють часів-ву ланцюжок поперек мембрани і «по естафеті» передають перено-сімое через мембрану речовина (іони натрію) від однієї молекули переносника до іншої. За здатність переносити іони через мембрани валиномицин, граміцидин та інші переносники отримали назву іонофоров.
При полегшеної дифузії можлива конкуренція близьких за структурою речовин за зв'язування з молекулою переносника. Це є рівняння дифузії (рівняння Фіка), яке зазвичай записують у вигляді:
3) Поряд з пасивним транспортом в мембранах клітини відбувається перенесення молекул в область більшої концентрації, а іонів - проти сили, що діє на них з боку електричного поля. Такий різновид перенесення доручила назву активного транспорту. Якщо пасивний транспорт може відбуватися в будь-яких напівпроникних мембранах, як біологічних, так і штучних, то активний транспорт притаманний тільки біологічних мембран. Завдяки активному транспорту зберігається просторова неоднорідність в клітці (відміну внутрішньоклітинного середовища від позаклітинного простору), створюються і підтримуються градієнти концентрацій, електричних потенціалів і т. Д. Активний перенос речовин через мембрану здійснюється за рахунок енергії гідролізу молекул (АТФ).
Відповідно до сучасних уявлень, в біологічних мембранах є іонні насоси - спеціальні системи інтегральних білків (транспортні АТФази). Відомі чотири види іонних насосів, три з яких забезпечують перенесення іонів Na +. До +. Ca 2+ і Н + через мембрани за рахунок енергії гідролізу АТФ. Ме-ханізм перенесення протонів при роботі дихального ланцюга мітохондрій вивчено найменше.
Натрій-калієвий насос працює за умови сполучення перенесення іонів калію і натрію. Це означає, що якщо у зовнішньому середовищі немає іонів калію, що не буде активного перенесення іонів натрію з клітини, і навпаки. Іншими словами, іони натрію активують натрій-калієвий насос на внутрішній поверхні клітинної мембрани, а іони калію - на зовнішній.
Натрій-калієвий насос переносить з клітки в зовнішнє середовище три іона натрію в обмін на перенесення двох іонів калію всередину клітини. Один акт перенесення вимагає витрати енергії однієї молекули АТФ. При цьому створюється і підтримується різниця потенціалів на мембрані, причому внутрішня частина клітини має негативний заряд.