Биофизика курс лекций
 Скачать 1.18 Mb.
|
|
L+R = LR, где L – лиганд; R – ре- цептор; LR – комплекс. Константа связывания может быть порядка К = 10 8 - 10 11 моль -1 3. Латеральная диффузия рецептора в мембране сквозь белковые кла- стеры и фосфолипидные домены. 4. Наличие внутриклеточных посредников (цАМФ и ионы Са). Так, процесс взаимодействия рецептора и гормона, как правило, описывают с по- мощью теории «занятости» и гипотезы «плавающего центра». Согласно тео- рии «занятости» реакция взаимодействия гормона и рецептора описывается с помощью уравнения L+R = LR – Q ,где Q – биологический эффект. Констан- та связывания K = [R][L]/[RL] и Q/ Q max = [RL]/ R o , где R o – общая концен- трация рецептора в мембране клетки. Рассмотрим особенности гормональной регуляции на примере специ- фических и неспецифических межклеточных взаимодействий в нервной сис- теме (аксоглиальные взаимодействия и синапсы). Одной из главных функций шванновской клетки (ШК) является регуляция концентрации межклеточного К + при реакции взаимодействия (РВ) аксона, которая модифицирует не толь- ко возбудимость соседних нейронов, но и процессы дыхания, гликолиз, син- тез ДНК и белков в глиальных клетках. Изменения уровня межклеточного К + и глутамата стимулируют вход Са 2+ в ШК через Са-канал и NMDA- глутаматный рецептор, что стимулирует ШК к экзоцитозу ацетилхолина, свя- зывание его с никотиновым ацетилхолиновым рецептором ШК, активацию аденилатциклазы, фосфолипаз, протеаз и гиперполяризацию плазматической мембраны ШК. Таким образом, при РВ аксона плазматическая мембрана ШК сначала деполяризуется, а затем наступает фаза быстрой гиперполяризации. Особый интерес представляет вопрос о функциональной роли секреции определенных веществ из ШК при РВ. Известно, что при накоплении меж- клеточного калия из глиальных клеток выходит гамма-аминомасляиая кисло- та, а увеличение межклеточной концентрации глутамата вызывает не только гиперполяризацию плазматической мембраны ШК, но и экзоцитоз АХ. Сле- 87 довательно, сложившиеся представления о неспецифическом характере пере- дачи сигнала между нейроном и глиальной клеткой, а также генерализован- ном влиянии глии на нервную клетку претерпевают существенные измене- ния. Одним из механизмов передачи сигнала от нейрона к глии являются пе- рераспределение и вход Са 2+ в ШК в ответ на накопление межклеточного К + , глутамата и АХ. Так, блокирование электрической активности нейрона при действии ТТХ приводит к снижению концентрации межклеточного К + , инги- бированию входа и регулярных колебаний уровня внутриклеточного Са 2+ со- седних астроцитов. Последнее может быть также связано с отсутствием из- менений содержания межклеточного глутамата. Действительно, при экстра- клеточном действии глутамата на астроциты обнаружены не только увеличе- ние входа, но и функционально зависимые колебания внутриклеточной кон- центрации Са 2+ . В исследованиях на нервных волокнах показано, что дейст- вие специфического блокатора глутаматного рецептора снимает обратимую гиперполяризацию ШК; при действии на нервное волокно тубокурарина об- наружена деполяризация мембраны ШК, а совместное действие блокатора и тубокурарина нивелирует данный эффект. Известно, что выход АХ из ШК и связывание его с АХР, локализованным на плазматической мембране ШК, активируют внутриклеточную аденилатциклазу и, в конечном счете, приво- дят к гиперполяризации плазматической мембраны ШК. И, наконец, обнару- жено наличие связи между фосфорилированием и числом АХР: форсколин и другие агенты, повышающие уровень внутриклеточного цАМФ, увеличивали количество АХР фибробластов у мыши. Возбуждение аксона приводит к росту числа АХР шванновской клетки и зависит от частоты ритмического возбуждения, уровня межклеточной кон- центрации К + , Са 2+ и ацетилхолина. При РВ снижается активность ацетилхо- линэстеразы аксона, что способствует поддержанию высокой концентрации межклеточного АХ. Адекватный стимул, классификация рецепторов в нервной системе Рецептор – это специализированная нервная клетка. Она сигнализирует в ЦНС о состоянии и (или) изменениях состояния среды, в которой находит- ся. Те факторы окружающей среды и те их изменения, которые оказывают действие на рецепторы, называются стимулами. Стимулы – это величины, которые можно измерять объективными методами, например деформация кожи, температура и электромагнитное излучение. Физиологические исследования обнаружили, что каждый рецептор с особой готовностью реагирует на стимулы какого-то одного типа. Это свой- ство обычно называют специфичностью рецепторов; тот стимул, который яв- ляется эффективным в каждом случае, иногда называют адекватным стиму- лом для данного рецептора. Для некоторых рецепторов адекватный стимул можно установить из повседневного опыта. Так, например, мы можем легко определить, что адекватным стимулом для рецепторов наших глаз является свет, тогда как тепловые или механические стимулы с помощью этих рецеп- торов мы в обычных условиях не обнаруживаем. 88 Следовательно, каждый рецептор способен передавать в ЦНС инфор- мацию только об одном определенном аспекте или размерности окружающей среды. Это значит, что рецептор играет роль фильтра. В связи с этим пред- ставляется полезным классифицировать рецепторы на основе их адекватных стимулов. Рецепторы млекопитающих распадаются на следующие четыре группы: механо-, термо-, хемо-и фоторецепторы. Внутри каждой из этих че- тырех групп можно обнаружить значительную степень специализации. На- пример, есть различающиеся типы фоторецепторов, по-разному отвечающие на излучения с различными длинами волн; эти рецепторы называют чувстви- тельными к длине волны или цветочувствительными. Терморецепторы мож- но подразделить на рецепторы тепла и холода в соответствии с тем, что их возбуждает – увеличение или уменьшение температуры. У механорецепторов также можно наблюдать специализацию к различным параметрам стимулов: в коже, например, одни рецепторы чувствительны к вибрации, другие – к давлению. Рецепторный потенциал В результате действия на рецептор адекватного стимула происходит генерация потенциала действия (рецепторного потенциала). Рецепторный потенциал длится столько же, сколько и стимул. Однако даже тогда, когда стимул сохраняется постоянным, рецепторный потенциал снижается от своего исходного максимального значения до более низкого уровня. Такое снижение влияния стимула, поддерживаемого в течение неко- торого времени на постоянном уровне, можно наблюдать практически у всех рецепторов; оно называется адаптацией. Рецепторный потенциал является результатом повышения проводимо- сти мембраны, которое неспецифично и касается всех мелких ионов (Na + , K + , Са 2+ , С1 - ). В нормальных условиях единственный из этих ионов, который может обеспечить деполяризацию, это ион Na + , потому что только этот ион имеет потенциал равновесия, сдвинутый в деполяризационном направлении по отношению к потенциалу покоя. Следовательно, ионы Na + должны быть главным источником возникновения рецепторного потенциала. Повышение проводимости мембраны, описанное для рецепторов, сходно с тем, что имеет место в субсинаптической мембране возбуждающих синапсов – например в концевой пластинке мотонейрона. Повышение проводимости мембраны, которое вызывает рецепторный потенциал, локализовано в специализированном участке рецепторной клетки – рецептивной мембране. Рецепторный потенциал возникает только тогда, когда стимул действует на этот специализированный участок. Далее, воспри- нимающий участок мембраны пространственно отделен от других частей клетки, например от электрически возбудимой (проводящей импульсы) мем- браны аксона. Его отличие можно также выявить и фармакологически: на- пример, возбудимую мембрану можно избирательно «отравить» нанесением тетродотоксина (ТТК), так что потенциалы действия больше там возникать не будут. В то же время рецептивная мембрана, а значит, и рецепторный по- тенциал, как правило, нечувствительны к действию ТТК. 89 Фоторецепторы позвоночных представляют исключение в том смысле, что при стимуляции светом в них возникает гиперполяризационный потен- циал. Однако при синаптической передаче на нейроны высших уровней в сетчатке индуцируется деполяризация – возбуждающий постсинаптический потенциал (ВПСП), который ведет к генерации распространяющихся потен- циалов действия. Промежуточные события между поступлением стимула и появлением рецепторного потенциала объединяются под общим названием процессы трансдукции . Этот термин подразумевает главным образом молекулярно- биологические процессы, имеющие место на рецептивной мембране и (или) во внутриклеточных структурах. В воспринимающей части рецептора имеет- ся много таких органоидов, как мембранные диски фоторецепторов, которые содержат чувствительные к свету молекулы зрительного пигмента или во- лосковидные выросты (реснички) рецепторов внутреннего уха. Это вспомо- гательные структуры, которые делают рецептор особенно чувствительным к специфическому адекватному стимулу. Многие рецепторы состоят из двух связанных элементов: нервного окончания и некоторой клетки ненервного происхождения типа дисков Мер- келя в коже или чувствительных клеток во вкусовых почках. Полагают, что процесс преобразования сигнала имеет место в ненервной клетке. Такие клетки называют вторичными сенсорными клетками . На электронной мик- рофотографии область контакта между клетками выглядит как синапс. По этой причине предполагается, что имеется синаптическая передача от вто- ричной сенсорной клетки к нервному окончанию. Напротив, первичная сенсорная клетка – это рецептор, в котором пре- образование стимула происходит в нервной клетке или в нервном окончании. Примером этого являются обонятельные рецепторы и свободные нервные окончания в коже. Рецепторный потенциал электротонически распространяется в смеж- ные области клетки. В результате этого аксон деполяризуется. Когда деполя- ризация достигает порога мембраны аксона, генерируется потенциал дейст- вия. Этот потенциал действия проводится по аксону в ЦНС. Таким образом, рецепторный потенциал действует на аксон как электрический стимул; по этой причине его также называют генераторным потенциалом . Если генераторный потенциал не спадает после генерации первого по- тенциала действия, он может вызывать следующие потенциалы действия, по- ка стимул и соответственно генераторный потенциал не исчезнут. Это зна- чит, что в период существования длительного генераторного потенциала аф- ферентное волокно разряжается многократно. Процессы, происходящие ме- жду поступлением стимула и генерацией распространяющихся потенциалов действия, могут быть названы процессами трансформации стимула в нерв- ную активность. Таким образом, эта трансформация включает следующие события: трансдукцию, увеличение проводимости рецептивной мембраны, рецепторный потенциал, синаптическую передачу (в случае вторичных сен- сорных клеток), генераторный потенциал, потенциалы действия. 90 Когда сила стимула возрастает, возрастает и амплитуда рецепторного потенциала. Постепенные плавные изменения рецепторного потенциала вы- зывают соответствующие изменения частоты потенциалов действия. Соот- ношение между интенсивностью стимула S и частотой импульсов F, часто называют силовой функцией . В случае рецептора растяжения соотношение между F и S линейно для каждого момента времени на протяжении действия стимула. Поскольку для того, чтобы вызвать потенциалы действия, рецепторный потенциал должен превзойти некоторое минимальное значение (порог аксо- на), разряд возникает только при превышении стимулом соответствующей интенсивности. S o называют пороговым стимулом для рецептора. Силовые функции описываются выражениями вида F = k (S – S o ),т. е. линейной зави- симостью для S > S o . Экспериментально было показано, что для большинства рецепторов силовая функция нелинейна. Измеренные соотношения часто можно описать различными математическими функциями, такими, как лога- рифмическая F = k logS/S o или степенная F = k (S – S o ) n . Эти выражения на- зываются соответственно функциями Вебера-Фехнера и Стивенса. Кодиро- вание интенсивности в рецепторах большинства типов лучше всего описыва- ется степенной функцией, в которой разность между интенсивностью стиму- ла S и пороговой интенсивностью S o возводится в n-ю степень. Показатель п является константой, характерной для каждого типа рецепторов. Для п < 1 и n > 1 степенные функции (на графиках с линейным масштабом) представля- ются соответственно выпуклыми и вогнутыми кривыми, а для n = 1 силовая функция линейна. Оказалось, что для большинства рецепторов п < 1. Сило- вая характеристика с n < 1 позволяет рецептору кодировать весьма значи- тельный диапазон интенсивностей стимула частотой разряда, ограниченной сверху (максимальная частота разряда толстого миелинизированного нервно- го волокна составляет 500-1000 имп/с, а у тонких волокон она еще мень- ше). Фоторецепция Зрительный процесс включает ряд стадий: энергия света улавливается, превращается в нервный импульс, передается и интегрируется. Только пер- вые стадии можно описать как исключительно молекулярные процессы, но они не представляют собой зрения в смысле восприятия изображений. Первая стадия (поглощение света) . Световые сигналы воспринимаются специальными клеточными структурами (фоторецепторами) и затем переда- ются в ЦНС. Фоторецепторами зрительных сигналов являются специализи- рованные клетки (палочки и колбочки) сетчатки глаза, расположенной на дне глазного яблока. Один фотон может запустить нервный импульс. Для цик- личного процесса фоторецепции необходим витамин А (родопсин). Родопсин состоит из белка опсина и связанного с ним хромофора, являющегося альде- гидной формой витамина А (ретиналь); соотношение этих составных частей в молекуле родопсина 1:1. И палочки, и колбочки, несмотря на разные спек- тры поглощения, содержат в родопсине один и тот же ретиналь. Главная ста- дия фоторецепции состоит в использовании энергии поглощенного света для 91 изомеризации ретиналя: 11-цис-ретиналь переходит в транс-ретиналь, что приводит к дестабилизации комплекса и его гидролизу до ретиналя и опсина. Таким образом, поглощение света вызывает конформационные изменения белка посредством изомеризации ретиналя. Регенерация нативного родопси- на (цикл Вальда) осуществляется за счет ферментативного восстановления ретиналя до ретинола с его последующей изомеризацией, окислением до 11- цис-ретиналя и рекомбинацией до родопсина (процесс идет в темноте). Вторая стадия (трансдукция) . Рассмотрим один из двух фоторецепто- ров позвоночных – палочки. Палочки выполняют функцию распознавания контрастов яркости и участвуют в зрении главным образом при слабом ос- вещении. Глаз человека содержит около 120∙10 6 палочек и 6,5∙10 6 колбочек. Палочка состоит из наружного и внутреннего сегментов. Во внутреннем сег- менте расположены митохондрии, которые обеспечивают метаболическую активность клетки, и клеточное ядро. Наружный сегмент содержит стопку бислойных мембран (1000-2000 стопок на палочку), называемых дисками, в которые встроены молекулы родопсина. Родопсин – гликопротеин, содержа- щий 14 ковалентно связанных остатков моносахаридов, нерастворим в воде и при действии мягких детергентов может быть отделен от своего липофильно- го окружения в мембране. Родопсин представляет собой интегральный белок, который вслед за поглощением фотона света меняет мембранный потенциал клетки. Гиперполяризация мембраны палочки при поглощении света называ- ется рецепторным потенциалом. Изменения мембранного потенциала обу- словлены инактивацией около 1000 натриевых каналов. Отметим, что гипер- поляризация клетки наблюдается только у позвоночных, у беспозвоночных, напротив, происходит деполяризация мембраны клетки. Родопсин регулиру- ет проницаемость натриевых каналов плазматической мембраны клеток па- лочек с помощью мессенджеров, таких, как Са 2+ и цГМФ. Установлено, что Са-АТФ-аза является компонентом мембранных дисков. Как предполагается в одной из моделей Хагинса, падающий свет может открывать и Са-каналы, хотя участие в данном процессе родопсина практически не исследовано. Основную роль (в качестве мессенджера) играет цГМФ, который под- держивает натриевые каналы мембран палочек в открытом состоянии. Дей- ствительно, в связи с этим становятся понятными факты наличия в клетке светозависимой фосфодиэстеразы, расщепляющей цГМФ. Согласно гипотезе Страейера, этот фермент активируется белком, названным трансдуцином. Именно комплекс трансдуцин – гуанозинтрифосфат активирует фосфодиэ- стеразу. Третья стадия (интегрирование нервных импульсов) . На данной ста- дии рецепторный потенциал должен превратиться в нервный импульс. Зри- тельная система представляет собой иерархию стадий обработки, на которых световой стимул дополняется все большим количеством информации. Реак- ция фоторецепторов прямо пропорциональна количеству падающего света (но в ганглионарных клетках сетчатки контролируется не интенсивность, а световой контраст) и обусловлена двумя особенностями сетчатки: 92 1) сетчатка имеет трехслойную структуру и состоит из рецепторных, биполярных и ганглионарных клеток, между которыми расположены клетки других типов (амакриновые и горизонтальные); 2) она обладает высокой степенью конвергенции: многочисленные све- товые сигналы, проходя через две промежуточные стадии, сливаются в одной ганглионарной клетке; когда каждая ганглионарная клетка получает сигнал, то запускается другая группа рецепторов (рецептивное поле), состоящая из центра, освещение которого возбуждает ганглионарную клетку, и концен- трического кольца клеток, ингибирующих это возбуждение. 93 Лекция 12. БИОФИЗИКА СИСТЕМЫ КРОВООБРАЩЕНИЯ Реологические свойства крови Реология – наука о деформациях и текучести вещества. Реология кро- ви ( гемореология ) – изучение биофизических особенностей крови как вязкой жидкости. Вязкость – это свойство жидкости оказывать сопротивление переме- щению одной ее части относительно другой. Вязкость жидкости обусловлена в первую очередь межмолекулярным взаимодействием, ограничивающим подвижность молекул. Наличие вязкости приводит к диссипации энергии внешнего источника, вызывающего движение жидкости, и переходу ее в теп- лоту. Жидкость без вязкости (так называемая идеальная жидкость) является абстракцией. Всем реальным жидкостям присуща вязкость. Основной закон вязкого течения был установлен И. Ньютоном (1687г.). Формула Ньютона : |