Биофизика курс лекций
 Скачать 1.18 Mb.
|
|
V(x) = V 0 ∙ e x , где V 0 – повышение мембранного потенциала в зоне воз- буждения; x – расстояние от возбужденного участка; λ – константа длины нервного волокна, равная расстоянию, на котором деполяризующийся потен- циал уменьшается в e раз. Константа длины нервного волокна: 70 λ = i m r a r 2 , где r m – удельное электрическое сопротивление оболочки во- локна, δ – толщина оболочки, a – радиус нервного волокна, r i – удельное электрическое сопротивление цитоплазмы. Чем больше константа длины мембраны, тем больше скорость распро- странения нервного импульса. Величина λ тем больше, чем больше радиус аксона и удельное сопротивление мембраны и чем меньше удельное сопро- тивление цитоплазмы. У позвоночных животных большая скорость передачи возбуждения в нервных волокнах. Их аксоны снабжены миелиновой оболочкой, которая увеличивает сопротивление мембраны и ее толщину. Возбуждение по миелинизированному волокну распространяется саль- таторно (скачкообразно) от одного перехвата Ранвье до другого. 71 Лекция 9. МЕХАНИЗМЫ ГЕНЕРАЦИИ ПОТЕНЦИАЛА ДЕЙСТВИЯ Экспериментальной базой для создания модели генерации потенциала действия явились результаты опытов по разделению ионных токов возбуж- денного аксона. Для разделения токов использовали блокатор натриевого то- ка – тетродотоксин и блокатор калиевого тока – тетраэтиламмоний. Измере- ние входящих и выходящих токов проводилось в режиме фиксации потен- циала. При введении в раствор тетродотоксина регистрировали временную зависимость выходящего тока калия при данном фиксированном значении мембранного потенциала. Затем величину фиксированного деполяризующего потенциала изменяли и снова регистрировали зависимость. То же самое де- лали для натрия. В результате выяснено: 1) чем ближе смещается фиксированный потенциал к значению равно- весного потенциала, определяемого по уравнению Нернста для ионов натрия и калия, тем меньше значение соответствующего тока; 2) меняется временной ход токов калия и натрия. Таким образом, экспериментально была показана зависимость токов натрия и калия от мембранного потенциала и от времени. В серии опытов на аксоне кальмара было показано: 1) образование потенциала действия связано с переносом натрия и ка- лия через мембрану; 2) проводимость мембраны для этих ионов меняется в зависимости от величины мембранного потенциала и времени. В дальнейшем Ходжкин и Хаксли предложили математическую мо- дель, которая описывала изменения проводимостей, а следовательно, и токов ионов натрия и калия через мембрану в процессе возбуждения. Основные постулаты модели Ходжкина и Хаксли: 1) в мембране существуют отдельные каналы для переноса ионов на- трия и калия; 2) во внутренней структуре мембраны существуют некоторые заряжен- ные частицы, управляющие проводимостью каналов. В зависимости от вели- чины напряженности приложенного электрического поля эти гипотетические частицы могут передвигаться в мембране, и тем самым увеличивать или уменьшать потоки ионов натрия и калия через каналы. Предполагается, что ионы калия могут проходить через канал, если к его участку под действием электрического поля подойдут одновременно 4 однозарядные частицы. Тогда проводимость ионов калия: g K = g` K ∙ n 4 , где g` K – максимальная проводимость канала для ионов калия, n – вероятность отхода одной частицы. Величина n 4 объяснялась как вероятность нахождения одновременно четырех активирующих частиц в не- котором определенном участке мембраны. Для натриевого канала предполагалось, что он открывается, если одно- временно в данный участок попадают три активирующие частицы и удаляет- ся одна блокирующая. Тогда: g Na = g` Na ∙ m 3 h, где m – вероятность прихода активирующей частицы, h – вероятность удаления блокирующей частицы. 72 Здесь введены два типа частиц, активирующие и блокирующие, т.к. на- триевый ток в условиях фиксированного потенциала сначала нарастает до максимума – активация, а затем уменьшается до 0 – инактивация. В целом, исходя из выбранных предположений и эмпирически подоб- ранных констант, Ходжкин и Хаксли обосновали ионную теорию возбуди- мых мембран и смогли удовлетворительно описать в рамках этой теории из- менения ионной проводимости и процесс генерации потенциала действия нервной клетки. Модель Ходжкина-Хаксли не объясняла природу активи- рующих и блокирующих частиц и механизм их влияния на проводимость ионного канала. Физическая интерпретация модели Ходжкина-Хаксли требует наличия внутри мембраны заряженных частиц, причем эти частицы должны передви- гаться в зависимости от внешнего электрического поля. Таким образом, для подтверждения второго постулата модели необходимо зарегистрировать пе- ремещения заряженных частиц внутри мембраны при изменении мембранно- го потенциала, т.е. зарегистрировать т.н. воротные токи. Трудность обнару- жения воротных токов заключалась в том, что активирующих частиц внутри мембраны очень мало и, следовательно, низкое значение воротного тока по сравнению с ионными токами, проходящими через мембрану. Ионные каналы клеточных мембран Модель возбудимой мембраны по теории Ходжкина-Хаксли предпола- гает регулируемый перенос ионов через мембрану. Однако непосредствен- ный переход иона через липидный бислой весьма затруднен. Поэтому вели- чина коэффициента распределения калия очень мала, а, следовательно, если бы ион переходил непосредственно через липидную фазу мембраны, то по- ток ионов был бы очень мал. Считается, что в мембране должны быть некоторые специальные структуры, проводящие ионы. Такие структуры были найдены и названы ионными каналами. Подобные каналы выделены из различных объектов: плазматической мембраны, постсинаптической мембраны мышечных клеток и других объектов. Известны также ионные каналы, образованные антибио- тиками. Основные свойства ионных каналов: 1) селективность; 2) независимость работы отдельных каналов; 3) дискретный характер проводимости; 4) зависимость параметров каналов от мембранного потенциала. 1) Селективность – способность ионных каналов избирательно пропус- кать ионы какого-либо одного типа. Ионные каналы обладают абсолютной селективностью по отношению к катионам или анионам (катион-селективные каналы, анион-селективные каналы). В то же время через катион- селективные каналы способны проходить различные катионы различных хи- мических элементов. Но проводимость мембраны для неосновного иона бу- дет существенно ниже. Способность ионного канала пропускать различные ионы называется относительной селективностью и характеризуется рядом 73 селективности – соотношением проводимостей канала для разных ионов, взятых при одной концентрации. 2) Независимость работы отдельных каналов. Прохождение тока через отдельный ионный канал не зависит от того, идет ли ток через другие кана- лы. Влияние каналов друг на друга происходит опосредованно: изменение проницаемости каких-либо каналов меняет мембранный потенциал, а уже он влияет на проводимость прочих ионных каналов. 3) Дискретный характер проводимости ионных каналов. Ионные кана- лы представляют собой субъединичный комплекс белков, пронизывающий мембрану. В центре его существует трубка, сквозь которую могут проходить ионы: на 1 мкм 2 аксона кальмара находится около 500 натриевых каналов. Проводимость ионного канала дискретна, и он может находиться в двух со- стояниях: открытом или закрытом. Переходы между состояниями происхо- дят в случайные моменты времени и подчиняются статистическим законо- мерностям. Нельзя сказать, что данный ионный канал откроется именно в этот момент времени. Можно лишь сделать утверждение о вероятности от- крывания канала в определенном интервале времени. 4) Зависимость параметров канала от мембранного потенциала. Ион- ные каналы нервных волокон чувствительны к мембранному потенциалу. Это проявляется в том, что после начала деполяризации мембраны соответ- ствующие токи начинают изменяться с той или иной кинетикой. Ион- селективный канал имеет сенсор, чувствительный к действию электрическо- го поля. При изменении мембранного потенциала меняется величина дейст- вующей на сенсор силы, в результате эта часть ионного канала перемещается и меняет вероятность открывания или закрывания ворот, действующих по принципу «всё или ничего». Скачок напряжения на мембране, создаваемый при измерениях методом фиксации потенциала, приводит к тому, что боль- шое число каналов открывается. Через них проходит больше зарядов, а зна- чит, в среднем, протекает больший ток. Процесс роста проводимости канала определяется увеличением вероятности перехода канала в открытое состоя- ние, а не увеличением диаметра открытого канала. Ионные каналы могут быть чувствительны и к другим физическим воздействиям: механическим деформациям, связыванию химических веществ и т.д. В этом случае они являются структурной основой, соответственно, ме- ханорецепторов, хеморецепторов и т.д. Ион-селективный канал состоит из следующих частей: - погруженной в бислой белковой части, имеющей субъединичное строение; - селективного фильтра, образованного отрицательно заряженными атомами кислорода, которые жестко расположены на определенном расстоя- нии друг от друга и пропускают ионы только определенного диаметра; - воротной части. Нормальное положение ворот натриевого канала – закрытое. Под дей- ствием электрического поля увеличивается вероятность открытого состоя- 74 ния, ворота открываются, и поток гидратированных ионов получает возмож- ность проходить через селективный фильтр. Механизм генерации потенциала действия кардиомиоцита Потенциал действия мышечной клетки сердца отличается от потенциа- ла действия нервного волокна и клетки скелетной мышцы, прежде всего дли- тельностью возбуждения – деполяризации. Если длительность потенциала действия аксона составляет 1 мс, клетки скелетной мышцы: 2-3 мс, то дли- тельность потенциала действия клетки сократительного миокарда составляет 250-300 мс. Это позволяет осуществить синхронное возбуждение и сокраще- ние структур сердца для обеспечения выброса крови. Распределение ионов калия и натрия в кардиомиоцитах близко к рас- пределению этих ионов в скелетной мышце. Однако в кардиомиоците при формировании потенциала действия и в процессе сокращения существенную роль играют и ионы кальция. Их концентрация снаружи клетки составляет около 2 ммоль/л, но внутри клетки концентрация свободных ионов кальция очень мала: 10 -4 ммоль/л. При сокращении концентрация свободных ионов кальция внутри клетки может возрастать до 10 -3 ммоль/л, но в фазе реполяри- зации избыток этих ионов удаляется из клетки. Сохранение ионного баланса в кардиомиоцитах обеспечивают калий, натрий и кальциевый насосы, активно перекачивающие ионы натрия и каль- ция наружу, а ионы калия – внутрь клетки. Работу этих насосов обеспечива- ют ферменты-АТФазы, находящиеся в сарколемме миокардиальных клеток. Потенциал действия клетки миокарда имеет 3 характерные фазы: депо- ляризация, плато и реполяризация. 1 фаза – деполяризация, как и в аксоне, определяется резким ростом проницаемости мембраны для ионов натрия в момент превышения мембран- ным потенциалом порогового значения при возбуждении. Порог активации натриевых каналов -60 мВ, а время жизни 1-2 мс, до 6 мс. 2 фаза – плато – характеризуется медленным спадом мембранного по- тенциала от пикового значения +30 мВ до нуля. В этой фазе одновременно работают 2 типа каналов – кальциевые и калиевые. Кальциевые каналы имеют порог активации – 30 мВ, а время их жизни 200 мс. В результате открывания кальциевых каналов возникает деполяри- зующий медленный входящий в клетку кальциевый ток. Одновременно с ростом кальциевого тока растет проводимость для ио- нов калия, что приводит к возникновению вытекающего калиевого тока, ре- поляризующего мембрану. В этой фазе происходит постепенное выравнива- ние текущих навстречу друг другу токов, а мембранный потенциал понижа- ется почти до нуля. 3 фаза – реполяризация – характеризуется закрытием кальциевых кана- лов, ростом величины проводимости мембраны для калия и усилением выхо- дящего тока калия. 75 Лекция 10. БИОФИЗИКА СОКРАТИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ Наиболее изученными являются сократительные системы мышечной ткани. Мышечная ткань представляет собой совокупность мышечных клеток (волокон), внеклеточного вещества (коллаген, эластин и др.) и густой сети нервных волокон и кровеносных сосудов. Мышцы по строению делятся на: гладкие – мышцы кишечника, стенки сосудов, и поперечно-полосатые – ске- летные, мышцы сердца. Независимо от строения все они имеют близкие ме- ханические свойства, одинаковый механизм активации и близкий химиче- ский состав. Поперечно-полосатая структура мышечных волокон может наблюдать- ся под обычным микроскопом. Отдельное мышечное волокно имеет диаметр 20-80 мкм и окружено плазматической мембраной толщиной 10 нм. Каждое отдельное волокно – это сильно вытянутая клетка. Длина отдельных волокон (клеток) может существенно варьироваться, в зависимости от вида мышцы, от сотен микрон до нескольких сантиметров. Внутри волокна, кроме извест- ных органелл (ядро, ядрышко, митохондрии, аппарат Гольджи и др.), нахо- дятся сократительный аппарат клетки, состоящий из 1000-2000 параллельно расположенных миофибрилл диаметром 1-2 мкм, а также клеточные орга- неллы: саркоплазматический ретикулум и система поперечных трубочек – Т- система. В миофибриллах различают: А-зону – темные полосы, которые в поля- ризованном свете дают двойное лучепреломление, то есть обладают свойст- вом анизотропии (отсюда и название: А-зона), I-зону – светлые полосы, не дающие двойного лучепреломления, то есть изотропные (отсюда название: I- зона). В области I-зоны проходит темная узкая полоса – Z-диск. Промежуток между двумя Z-дисками называется саркомером и является элементарной со- кратительной единицей мышечной клетки. Саркомер – это упорядоченная система толстых и тонких нитей, распо- ложенных гексагонально в поперечном сечении. Толстая нить имеет толщину 12 нм и длину 1,5 мкм и состоит из белка миозина. Тонкая нить имеет диа- метр 8 нм, длину 1 мкм и состоит из белка актина, прикрепленного одним концом к Z-диску. Актиновая нить состоит из двух закрученных один вокруг другого мо- номеров актина толщиной по 5 нм. Эта структура похожа на две нитки бус, скрученные по 14 бусин в витке. В цепях актина регулярно примерно через 40 нм встроены молекулы тропонина, а сама цепь охватывает нить тропомио- зина. При сокращении мышцы тонкие нити вдвигаются между толстыми. Происходит относительное скольжение нитей без изменения их длины. Этот процесс обусловлен взаимодействием особых выступов миозина – попереч- ных мостиков с активными центрами, расположенными на актине. Мостики отходят от толстой нити периодично на расстоянии 14,5 нм друг от друга. В расслабленном состоянии миофибрилл молекулы тропомиозина бло- кируют прикрепление поперечных мостиков к актиновым цепям. Ионы Са 2+ активируют мостики и открывают участки их прикрепления к актину. В ре- 76 зультате мостики миозина прикрепляются к актиновым нитям, расщепляются молекулы АТФ и изменяется конформация мостиков: их головки поворачи- ваются внутрь саркомера. Это приводит к генерации силы, скольжению ак- тина относительно толстой нити миозина к центру саркомера, что вызывает укорочение мышцы. После окончания активации мостик размыкается, и сар- комер возвращается в исходное состояние. При укорочении объем саркомера практически не меняется, а, следовательно, он становится толще, что и под- тверждается на снимках поперечного сечения мышц с помощью электронной микроскопии. Каждый цикл замыкание-размыкание сопровождается расщеп- лением одной молекулы АТФ. Таким образом, актин-миозиновый комплекс является механохимическим преобразователем энергии АТФ. Рассмотренная структура и последовательность процессов называется моделью скользящих нитей. Впервые скольжение нитей в саркомере было обнаружено английским ученым Х.Хаксли. Он же сформулировал модель скользящих нитей. Сущест- венный вклад в разработку теории скользящих нитей внес В.И. Дещеревский. Основные положения модели скользящих нитей: 1. Длины нитей актина и миозина в ходе сокращения не меняются. 2. Изменение длины саркомера при сокращении – результат относи- тельного продольного смещения нитей актина и миозина. 3. Поперечные мостики, отходящие от миозина, могут присоединяться к комплементарным центрам актина. 4. Мостики прикрепляются к актину не одновременно. 5. Замкнувшиеся мостики подвергаются структурному переходу, при котором они развивают усилие, после чего происходит их размыкание. 6. Сокращение и расслабление мышцы состоит в нарастании и после- дующем уменьшении числа мостиков, совершающих цикл замыкание- размыкание. 7. Каждый цикл связан с гидролизом одной молекулы АТФ. 8. Акты замыкания-размыкания мостиков происходят, не зависимо друг от друга. Биомеханика мышцы Мышцы можно представить как сплошную среду, то есть среду, со- стоящую из большого числа элементов, взаимодействующих между собой без соударений и находящихся в поле внешних сил. Мышца одновременно обладает свойством упругости и вязкости, то есть является вязко-упругой средой. Для такой среды предполагаются справедливыми законы классиче- ской механики. Фундаментальными понятиями механики сплошных сред являются де- формация, напряжение, упругость, вязкость, а также энергия и температура. Упругость – свойство тел менять размеры и форму под действием сил и самопроизвольно восстанавливать их при прекращении внешних воздейст- вий. Упругость тел обусловлена силами взаимодействия его атомов и моле- кул. При снятии внешнего воздействия тело самопроизвольно возвращается в исходное состояние. |