менов одного белка. Каждый домен имеет трансмембранные сегменты, состоящие из определенных последовательностей аминокислот. Субъединицы, или домены, образуют цилиндр, имеющий пору. В структуре канала выделяют наружное и внутреннее устья, свойства белка которых обеспечивают селективность канала.
ж Селективные потенциалозависимые ионные каналы подразделяют на натриевые, калиевые, кальциевые и хлорные. Канал состоит из собственно канала (транспортной части) и воротного механизма («ворот»), который управляется электрическим полем мембраны (рис. 2.2). В каждом канале предполагают наличие двух типов «ворот»: быстрых, или активационных (т), и медленных, или инактивационных (h). «Ворога» могут быть открыты или закрыты. Например, в состоянии покоя клетки в натриевом канале «ворота» m закрыты, а «ворота» h открыты. При уменьшении заряда мембраны (деполяризации) «ворота» га открываются и канал переходит в проводящее состояние, т.е. через него начинают проходить иод действием сил концентрационного и электрохимического градиентов ионы натрия. Затем при достижении процессом деполяризации определенного момента закрываются инакти-
3 7
вационные «ворота» и канал перестает пропускать ионы, т.е. он инактивируется. По мере восстановления МП (реполяризация) инактивационные «ворота» медленно открываются, а активационные быстро закрываются и канал возвращается в свое исходное функциональное состояние. Активированный натриевый канал пропускает 6000 ионов в 1 мс. Суммарный ионный ток достаточно велик, так как активируется большое число натриевых каналов.
а Хемозависимые селективные каналы входят в состав мембранных рецепторов, на которые действуют химические посредники передачи информации в синапсе (медиаторы), лекарственные вещества, антигены и токсины.
Механочувствительные селективные каналы реагируют на механическую деформацию мембраны изменением проницаемости каналов к различным катионам и анионам.
Установлено, что каждый вид селективного канала по своим свойствам может быть дифференцирован еще на несколько типов. Так, потенциалозависимые натриевые каналы делят на каналы быстрого, медленного и сверхмедленного токов, что обеспечивает участие натриевых каналов в формировании различных процессов на мембране клетки.
Хемочувствительные натриевые каналы различают по чувствительности к медиаторам (Н — холинорецептивный, глутаматчувствительный, НМДА-рецептивный) и селективности к различным ионам.
Потенциалозависимые калиевые каналы делят на каналы раннего входящего тока, каналы задержанного выпрямления, каналы аномального выпрямления. Хемочувствительные калиевые каналы представлены М-холинорецептивными, Са2+-за- висимыми и №+-зависимыми типами.
Потенциалозависимые кальциевые каналы, увеличивая поступление Са2+ в клетку, обеспечивают сопряжение электрических мембранных процессов с метаболическими процессами. Различают каналы L-muna (медленные Са2+-каналы) — участвуют в формировании электрических процессов на мембране мышечных и нервных клеток; каналы Т-типа участвуют в формировании автоматии гладкомышечных и атипичных клеток миокарда, каналы Н-типа и Р-типа участвуют в освобождении медиатора из синаптических окончаний в мышцах и нервных клетках.
Хлорные каналы представлены в мембранах эритроцитов, сердечных и скелетных миоцитов, в синапсах различных отделов нервной системы. Потенциалозависимые хлорные каналы участвуют в процессах генерации электрических изменений на мембране, например укорачивают фазу реполяризации мембраны. Хемозависимые хлорные каналы входят в состав тормозных синапсов нервной системы: ГАМК-рецеп- тивных и глицин-рецептивных.
38
2.2.3. Формирование потенциала покоя
ипотенциала действия
Поляризация мембраны в состоянии покоя, т.е. возникновение МП, при наличии трансмембранного градиента концентраций ионов объясняется прежде всего выходом по каналам утечки внутриклеточного К+ в окружающую клетку среду. Так, в состоянии физиологического покоя мембрана, например, нервных волокон в 25 раз более проницаема для К+, чем для Na+. Выход положительно заряженных К+ приводит к формированию положительного заряда на наружной поверхности мембраны. Органические анионы — крупномолекулярные соединения, которые несут отрицательный заряд и для которых мембрана клетки непроницаема, придают в этих условиях внутренней поверхности мембраны отрицательный заряд. На степень поляризации мембраны в состоянии покоя оказывает влияние перемещение через нее и других ионов, но в условиях относительного покоя оно невелико.
В состоянии покоя потоки ионов через мембрану, движущиеся по их концентрационным градиентам, в конечном счете должны были бы привести к выравниванию концентрации ионов внутри клетки и в окружающей ее среде. Но в живых клетках этого не происходит, так как в клеточной мембране существует особый молекулярный механизм, который получил название ионного насоса. Так, например, натриево-кали- евый насос обеспечивает выведение из цитоплазмы клетки Na+ и введение в цитоплазму КЛ Ионный насос перемещает ионы против их концентрационного градиента и, следовательно, работает с затратой энергии на преодоление силы градиента. Вместе с тем работа К4-, Na+-Hacoca является еще одним значимым фактором в создании МП. Выкачивая за каждый цикл работы из клетки три Na+ и вводя в клетку лишь два К+, насос формирует внутриклеточный отрицательный заряд, имеющий электрогенное происхождение, суммирующийся с зарядом, связанным с диффузией К+.
Таким образом, возникновение и поддержание МП покоя обусловлено избирательной проницаемостью мембраны клетки для ионов и работой натриево-калиевого насоса.
Мембранный потенциал покоя создает электрическое поле, которое обеспечивает закрытое состояние активационных «ворот» и открытое состояние инактивационных «ворот» натриевых каналов, а также сохранение определенной пространственной организации мембраны.
Регистрация электрических потенциалов в нервном и мышечном волокнах или в нервной клетке показала, что при действии раздражителя происходит изменение МП. Под влиянием раздражителя подпороговой силы изменения МП невелики и имеют местный (локальный) характер. Такое изме-
39
нение МП получило название локального потенциала, и оно не сопровождается целостной реакцией клетки. При действии раздражителя пороговой или сверхпороговой силы изменения МП максимальны и последовательно охватывают всю мембрану клетки. Это изменение получило название распространяющегося потенциала, или потенциала действия (ПД), поскольку он вызывает характерную для данной клетки специализированную реакцию.
Механизм возникновения ПД заключается в следующем. Под влиянием раздражителя пороговой или сверхпороговой величины проницаемость мембраны клетки для Na+ возрастает, они устремляются внутрь клетки, что приводит к уменьшению величины МП — деполяризации мембраны (рис. 2.3). Вначале процесс деполяризации развивается медленно, что отражает так называемый предспайковый, или медленный, потенциал. При уменьшении МП до критического уровня деполяризации (КУД), т. е. момента, когда медленная деполяризация переходит в быструю, проницаемость мембраны для Na+ мгновенно и максимально увеличивается (в 500 раз) и превышает проницаемость для К+ в 20 раз. Быструю деполяризацию отражает так называемый спайковый, или быстрый, потенциал. В результате проникновения Na+ в цитоплазму и их взаимодействия с отрицательно заряженными анионами трансмембранная разность потенциалов сначала исчезает, а затем происходит перезарядка клеточной мембраны (поляризация с обратным знаком, или инверсия заряда, или овершут) — внутренняя поверхность мембраны заряжается положительно по отношению к наружной. Этот потенциал превышения достигает величины 30—50 мВ. При достижении про-
4 0
дессом обратной поляризации максимального значения закрываются быстрые натриевые каналы (происходит инактивация натриевой проницаемости) и открываются калиевые каналы, через которые К' выходит из клетки, что приводит к восстановлению исходного уровня мембранного потенциала покоя, т.е. происходит реполяризация мембраны. Процесс реполяризации отражают нисходящая часть спайкового потенциала, следовые деполяризация и гиперполяризация мембраны.
Потенциал действия может быть зарегистрирован двумя способами: внеклеточным — с помощью электродов, приложенных к внешней поверхности клетки; внутриклеточным — с помощью электродов, один из которых введен внутрь клетки, а другой расположен на ее поверхности.
При отведении от внутренней поверхности клетки потенциал действия имеет сложную форму и состоит из нескольких компонентов (см. рис. 2.3).
•Предспайковый потенциал (препотенциал, локальный потенциал) отражает процесс медленной деполяризации мембраны от уровня МП до критического уровня деполяризации.
•Спайковый потенциал (спайк, распространяющийся потенциал или собственно потенциал действия) своей восходящей частью отражает процесс быстрой деполяризации мембраны и ее перезарядки, а нисходящей — процесс быстрой реполяризации мембраны.
•Следовая деполяризация отражает процесс медленной реполяризации мембраны.
•Следовая гиперполяризация отражает увеличение поляризации мембраны относительно исходного уровня МП.
2.2.4.Изменение возбудимости при возбуждении
Развитие любого вида возбуждения (местного или распространяющегося) сопровождается фазным изменением уровня возбудимости. Характер этих изменений и их соотношение с фазами одиночного цикла возбуждения иллюстрирует рис. 2.3.
Состоянию исходной поляризации мембраны, которую отражает мембранный потенциал покоя, соответствует исходное состояние ее возбудимости, или нормальный уровень возбудимости, принимаемый за 100 %.
В период развития предспайкового потенциала возбудимость повышается. Эта фаза изменения возбудимости получила название фазы латентного дополнения (первичной экзальтации). Механизм повышения возбудимости в этот период связан с уменьшением поляризации мембраны, т.е. с приближением МП к критическому уровню. В этих условиях уменьшается прочность закрытия активационных ворот натриевых
41