Лекции по биофизике. Лекции по биофизике учебнометодическое пособие
 Скачать 1.98 Mb.
|
|
Зависимость пресинаптического потенциала от постсинаптического Как уже ранее утверждалось, основным электрофизиологическим отличием Х.С. от Э.С. является то, что амплитуда ПКП зависит от V m скелетной мышцы. Причины такой зависимости в следующем. 1. Исходно амплитуда ПКП всегда на 10-20 мВ ниже ПД мышц. Причиной является постоянный шунт сопротивления мембраны КП, развивающийся под действием на нее нейромедиатора ацетилхолина (АХ). В результате высвобождения АХ в синаптическую щель снижается сопротивление постсинаптической мембраны в 1000 раз. 2. Мембраны КП и мышечного волокна по сути одна электрофизиологическая структура (Рис. 27). 124 Рис. 27. Эквивалентная электрическая схема синапса Если ключ К разомкнут, то регистрируется ПП мышцы (-80мВ). Замыкание К увеличивает проницаемость постсинаптической мембраны. Если е Е, то замыкание ключа вызывает ток в цепи е Е (е -15-0мВ). Ток бежит по первому пути и начинается деполяризация постсинаптической мембраны до уровня: Е е G g g V , где g и G – проницаемости мембран КП и мышечного волокна, соответственно. Естественно, чем ниже Е, тем выше V (отличие химического синапса). В итоге: 1. При е = Е, ПКП = 0, уровень потенциала реверсии; 2. Если е Е, ПКП меняет свой знак и наступает гиперполяризация постсинаптической мембраны – торможение передачи возбуждения на мышцу; 3. Так как присутствие С м – шунтирует V, и V m не будет совпадать с развитием постсинаптического мембранного потенциала (ПКП), спад ПКП относительно спада (тока ТКП) концевой пластинки запаздывает и ТКП является характеристикой действия медиатора. 4. Е = е при потенциале реверсии ( реверсии при Е р -15мВ). При этом уровне ПКП тока после действия медиатора не будет. 5. Величина потенциала реверсии рассчитывается по формуле: 2 Wa К р р реверсии Е Е , где: Е р Na и Е р К – равновесные потенциалы для ионов натрия и калия, соответственно. 6. Нейромедиатор (АХ) одновременно увеличивает проницаемость для Na + и К + : 125 1 29 Na K g , g =const на всем протяжении мембраны в сфере действия нейромедиатора. Уравнение Takeuchi. Если величина потенциала постсинаптической мембраны зависит только от количества медиатора, то потенциал реверсии будет равен: K Na int ext K Na int ext р g g 1 1 Na Na lg Δg Δg K K ln F RT Е где: обозначения соответствующих величин концентраций, проводимости и констант объяснялись выше. Основные положения о судьбе медиатора в химическом синапсе (Шеррингтон, 1897 г.) 1. В холинэргическом синапсе производится и утилизируется при действии одного импульса 2-200·10 3 молекул ацетилхолина (АХ). Возникает вопрос: «Откуда они берутся?». 2. Тем боле, что амплитуда МПКП определяется: размерами кванта медиатора, объѐмом диффузионного пространства, плотностью рецепторов в постсинаптической мембране, активность фермента расщепляющего АХ – ацетилхолинэстеразой (АХЭ), входным сопротивлением мембраны КП. 3. Оказывается, до взаимодействия с КП медиатор претерпевает достаточно сложные изменения: a) Синтез и загрузку в везикулы (перикарион, тело нейрона); b) Аксональный транспорт; c) Слияние везикулы с пресинаптической мембраной и высвобождение медиатора в синаптическую щель; d) Диффузия через синаптическую щель; e)Узнавание, взаимодействие с рецепторами постсинаптической мембраны, изменение проницаемости ионов КП; f) Расщепление АХЭ АХ. g) Ресинтез ацетилхолина связан с активностью АцетилКоА, гликолизом холина из фосфотидилхолина: АцетилКоА + холин – АХ (тело нейрона). h) Загрузка синаптических пузырьков – это активный транспорт. Концентрация АХ в них больше 5мМ. j) Диффузия АХ от тела нейрона по аксону к месту высвобождения происходит с помощью олигосахаридного матрикса. 126 k) Высвобождение нейромедиатора связано с ионами кальция. Считают, что везикула его высвобождает прямо в синаптическую щель. 127 X. БИОФИЗИКА СОКРАЩЕНИЯ Введение Подвижность и перемещение живых структур имеет много общих черт. В их основе лежат сходные по своей структуре и функции сократительные белки актина и миозина, взаимодействие которых, в принципе, осуществляют необходимые перемещения в пространстве. Существуют специализированные структуры, выполняющие сократительные функции – мышечная ткань, хотя сократительные белки (актин) являются обязательным компонентом цитоскелета любой клетки. Виды мышечного сокращения: Изометрическое – при неизменных размерах Изотоническое – при неизменной силе. Ауксотоническое – при изменении длины и силы. Мышечная ткань подразделяется на: 1. Поперечно-полосатую (скелетная и сердечная) мускулатуру. 2. Гладкие мышцы. Их отличия касаются структуры, функции и эмбриогенеза. Скелетные мышцы Структурно-функциональной единицей скелетной мышцы является мышечное волокно – многоядерная клетка, образовавшаяся из мезодермы слиянием нескольких сотен, а иногда и тысяч клеток. Длина мышечного волокна достигает 100-1000мкм., толщина 20-80 мкм Покрыто мышечное волокно двухслойной мембраной – сарколеммой. Непосредственно к цитоплазме прилежит плазмалемма – обычная плазматическая мембрана толщиной 7,5нм. Через некоторое пространство, заполненное соединительно- тканными волокнами, располагается базальная мембрана (5,5нм), которая является общей для пучка из 20-40 мышечных волокон. Основное внутриклеточное пространство мышечного волокна заполнено миофибриллами диаметром 1-2 мкм. Их около 2000 и они тянутся вдоль всего мышечного волокна и сформированы в саркомеры. Саркомер скелетных мышц. Особенностью скелетной, как и всех поперечно-полосатых мышц, является поперечная исчерченность внутреннего содержимого цитоплазмы характерными структурами саркомерами ( Рис. 28). 128 Рис. 28. Саркомер скелетных мышц Длина саркомера (от Z- пластины до Z-пластины) в скелетных мышцах составляет 2,2мкм. В этих структурах располагаются основные сократительные белки актин и миозин. Строгая упорядоченность их в саркомерах приводит с чередованию оптически более плотных и менее плотных структур. К Z-пластинам саркомера симметрично по обе стороны прикрепляются нити актина. Между ними в оптически менее плотной (изотропной) зоне I-дисков расположены нити миозина. Посредине каждого I-диска имеется М-полоса – особая мембрана, на которой фиксируются нити миозина. Частично нити актина и миозина перекрываются, образуя оптически более плотную (анизотропную) зону или А-диск. Светлую часть А-диска Н-полосу, содержащую только нити актина, посредине пересекает Z-пластина. Триада скелетных мышц представляет собой совокупность структур, обеспечивающих запуск сокращения в ответ на раздражение сарколеммы. Она образована тремя структурами (см.Рис): 1. Т-системой – впячивания плазматической мембраны внутрь мышечного волокна диаметром около 0,03 мкм. 2. Концевыми цистернами саркоплазматического ретикулума (СПР). 3. Продольными каналами СПР. Обычно триада располагаются вблизи Z-пластин саркомера. Структура и функция сократительных белков Основную сократительную функцию во всех видах мышц осуществляют тонкие и толстые нити-миофиламенты (миофибриллы) актин и миозин. Вспомогательную – регуляторную осуществляют тропомиозин (TrM, ММ:68 кD) и комплекс тропонина (Tr, ММ:70 кD), который состоит из субединиц (Рис. 29) 129 Рис. 29. Структура сократительных белков 1. Ингибиторный тропонин – TrI, ММ:21 kD; 2. Тропонинсвязывающий тропонин – TrT ММ:31 kD; 3. Кальций-связывающий тропонин – TrC, ММ:18 kD. Молекула актина встречается в двух формах: глобулярной (G) и фибриллярной (F). Переход из G- в F-форму происходит в присутствии АТФ и ионов кальция непосредственно перед сокращением. G-форма представляет собой глобулу ММ 48 кD. Полимеризованная F-форма собирается на тропомиозине вместе с тропониновым комплексом: на одной молекуле TrM+ Tr(I,T,C) обнаруживается 7 G-глобул актина. Кроме того, в окончательном варианте две таких структуры закручиваются относительно друг друга, образуя суперспираль – миофибриллу актина, непосредственного участника сокращения. Молекула миозина (ММ:480 кD) состоит из 2-х тяжелых (2x200 кD) и 4-х легких цепей. Две из них (18,5 кD) –отщепляются при обработке миозина 5,5- дитиобис-2-нитрбензойной кислотой (ДТНБ цепи). Две другие (20,7 кD и 16,5 kD) диссоциируют в щелочной среде и названы щелочными. Легкие цепи формируют головку молекулы миозина, обладающей способностью к АТФ-азной активности (щелочные цепи) и изменению конформации под воздействием ионов кальция (ДТНБ-цепи). Толстая миофибрила содержит около сотни молекул миозина, закрученных относительно друг друга тяжелыми цепями от центра к краям. В результате, центральная область 130 толстых нитей миозина не содержит головок легких цепей, обладающих АТФ- азной активностью. Молекулярные механизмы мышечного сокращения Для осуществления сокращения мышечного волокна требуется ряд условий: 1. Развитие потенциала действия на сарколемме. 2. Повышение внутриклеточной концентрации ионов кальция выше 0,1 мкМ. 3. Наличие в цитозоле молекул АТФ. Потенциал действия (ПД) скелетного волокна имеет Na + ,K + -ю природу ( Рис. 30). Рис. 30. Электрическая и сократительная активность мышечного волокна Его амплитуда достигает 120-130 мВ, овершут +30-+50 мВ, продолжительность 3-5 мс. Особенностью является длительная следовая деполяризация (около 10 мс), обусловленная аккумуляцией ионов K + в Т- трубочках. Их разрушение при действии глицерина удаляет не только следовый потенциал, но и делает невозможным развитие сокращение на фоне ПД. Повышение внутриклеточной концентрации ионов кальция происходит в результате его высвобождения из концевых цистерн СПР после развития ПД. Взаимодействие электрических процессов на сарколемме (ПД) и непосредственно сократительных белков осуществляется с помощью процесса электромеханического сопряжения (ЭМС). В настоящее время существует несколько гипотез развития ЭМС: 1. Морфологическая, которая предполагает наличие структур, связывающих Т-систему и СПР. 2. Электрическая, которая предполагает перераспределение электрического поля с Т-системы на СПР. 3. Химическая, которая предполагает, что в процессе развития ПД внутрь волокна выделяется вещество-посредник запуска сокращения, например, инозитолтрифосфат. После повышения внутриклеточного уровня выше критического (0,1 мкМ) ионы кальция соединяются с TrС, в результате чего весь тропониновый 131 комплекс изменяет конформацию и снимается ингибиторное влияние TrI на молекулу актина. К открывающимся на молекуле актина участкам прикрепляются легкие цепи головки миозина. Формирующийся актин- миозиновый комплекс в присутствии АТФ осуществляет перемещение тонких и толстых миофиламентов относительно друг друга – теория скользящих нитей Хилла. АТФ-азная активность миозина не подчиняется простой кинетике ферментативного катализа (В.А. Энгельгард, 1939), так как протекает через ряд стадий, скорость которых зависит от структурных перестроек молекулы в присутствии актина и ионов кальция. Лимитирующей стадией процесса становится распад фосфорилированной формы миозина в отсутствии актина (диссоциация актин-миозинового комплекса). Наоборот, после взаимодействия актина с миозином фосфорилированный миозин распадается очень быстро (скорость реакции увеличивается на несколько порядков). В результате распада молекула миозина становится свободной для очередного фосфорилирования, необходимого для перемещения нитей актина относительно миозина – собственно процесса сокращения. Процесс расслабления начинается со снижения уровня внеклеточного кальция за счет работы системы активного транспорта СПР – Mg 2+ зависмойCa 2+ -АТФазы. Считается что этот процесс закачки внутрь СПР, в большей мере, происходит в его продольных трубочках. Биомеханика скелетной мышцы Согласно основным принципам (Хилл) мышца состоит из ( Рис. 31): 1. Сократительного элемента (1); 2. Недемпфированного упругого элемента (2). Рис. 31. Модель скелетной мышцы В состоянии покоя и сократительный и упругий элемент растяжимы и не создают напряжения покоя. В состоянии сокращения элемент 1 укорачивается и в итоге либо развивается напряжение (фиксированные концы), либо укорочение (нефиксированные концы). 132 Основной параметр биомеханических свойств мышцы является соотношение между скоростью укорочения и нагрузкой (зависимость «сила- скорость») – уравнение Хилла. Теплота в фазу одиночного изотонического сокращения состоит из теплоты укорочения и теплоты активации. Теплота активации – теплота момента нанесения раздражения до появления механической реакции: А – теплота активации – тепловой эквивалент всех реакций, включая ПД до момента начала укорочения. Q – теплота укорочения – линейно зависит только о степени укорочения и не зависит от нагрузки. Общая теплота: Н = А + Q, где: Q = аx, А – теплота активации; x – степень укорочения; а – коэффициент укорочения (а=0,038 Вт сек/см 3 = Дж/см 2 ). При тетаническом сокращении отдельные теплоты активации будут суммироваться: H = ftA + a l/3, где: ftA – теплота поддержания; f – частота раздражения;t – его длительность;l/3 – берется потому. что при max тетанусе мышца сокращается на 1/3 исходной длины. В рабочую фазу мышца способна производить работу и общая энергия сокращения: Е = Н + W = A + ax + W, где: W – затрата на подъѐм груза и W =Px Кинетический компонент W к 0. Е = А +аx + Px υ a p dt dx a p dt dE сокращения скорость - dt dx . Хилл экспериментально установил, что dt dE линейно зависит от (Р 0 -Р) с каким-то коэффициентом b, где Р 0 – max при тетанусе; Р – нагрузка при данном исследовании. P P b 0 dt dE P P b a P 0 или: 133 a P b a P b 0 , Р 0 – const. График этой зависимости: гипербола с асимптотами а и b, где Р 0 и G = V max ( Рис. 32). Рис. 32. Зависимость скорости укорочения мышечного волокна от нагрузки График изометрического сокращения определяет зависимость силы сокращения от линейных параметров саркомера (Рис. 33). Рис. 33. Зависимость силы сокращения от линейных параметров саркомера Миокард Миокард по своей структуре более гетерогенен, чем скелетная мускулатура. Кроме клеток рабочего миокарда, которые относятся к поперечно-полосатой мускулатуре, имеются проводящая система, состоящая из атипичных Т-клеток. Их отличает наличие отростков, кластерная форма, отсутствие вставочных дисков и саркомера. Структурно-функциональной единицей клеток рабочего миокарда является кардиомиоцит–одноядерная клетка цилиндрической формы, длиной 10–100 мкм, диаметром 7-50 мкМ. Покрыт кардиомиоцит, как и скелетное волокно, двухслойной мембраной – сарколеммой. Саркомер кардиомиоцита несколько короче, чем у скелетной мышцы (1,5-1,7мкм) 134 Особенности: 1. Наличие вставочных дисков, на которых обрывается саркомер, общих для нескольких кардиомиоцитов. 2. Т-система контактирует только с продольными трубочками СПР, образуя диаду. Потенциал покоя (ПП) кардиомиоцитов Распределение концентраций (в мМ) ионов снаружи ( ех ) и внутри ( in ) кардиомиоцита при потенциале покоя (ПП) представлена в таблице ниже: Na + Cl - K + Ca 2+ ex 145 120 4 2 in 15 6 150 10 -7 м/л Равновесные электро-химические потенциалы, участвующие в образовании ПП кардиомиоцитов равны для ионов: Калия Ем – Ек = -80- (-100) = 20мВ, Натрия Ем – ЕNa = -80 – (+50) = -130мВ Хлора Ем – ЕCl = -80 – (+80) = 0мВ – пассивное распределение Кальция Ем – ЕCa = 2 -80 – (+45) = 450мВ Транспортные системы, которые поддерживают ПП на уровне –80 / –90 мВ: 1. Nа + /K + –АТФаза, удаляющая из клеток 3 иона натрия в обмен на 2 иона калия -электрогенна и уменьшает Ем. 2. Са 2+ – АТФаза поддерживает очень высокий градиент для ионов кальция, удаляя их наружу. 3. Nа + /Са 2+ – обмен выносит ионы кальция, используя градиент к ионам натрия. При деполяризации мембраны – работает в обратном режиме, оставляя ионы кальция внутри. Потенциал действия (ПД) рабочего миокарда имеет сложную структуру (Рис. 34). 1. Фаза быстрой регенеративной деполяризации 2. Фаза быстрой регенеративной реполяризации 3. Фаза медленной реполяризации 4. Конечная реполяризация 5. Межимпульсный потенциал. 135 Рис. 34. Фазы потенциала действия Фаза быстрой регенеративной деполяризации (О-фаза) обеспечивается входящим ионным током (I вх ), который линейно зависит от Na ext, и чувствителен к действию блокатора натриевых каналов ТТХ. Вывод: входящий ток натриевой природы: I Na = ( = 1-2 мсек, амплитуда = 1мкА/см 2 ) связан с открыванием быстрых потенциал-зависимых натриевых каналов. Фаза быстрой регенеративной реполяризации и медленной реполяризации Представляют совокупность: ех ех 1. овершут чувствительны к а и Са 2. плато Один из компонент входящего ионного тока – медленный входящий ток I Ii (порог – 35-10мВ max при 0мВ; 10-20мс.) не чувствителен к блокатору натриевых каналов ТТХ и не зависит от Na еx. Зато он чувствителен к внеклеточному кальцию и действию блокаторов кальциевых каналов. Вывод: Совместно с ионами натрия за генерацию ПД кардиомиоцитов отвечают ионы кальция. Особенности I Ii : зависимость от метаболизма цАМФ, ионов кальция и рН. Фосфорилирование канала приводит к увеличению его времени жизни и количеству активированных представителей. Мишенью для фосфорилирования является -субъединица (150кД) кальциевого канала- кальцидуктин. Фермент, отвечающий за фосфорилирование - каталитическая субъединица (29кД) цАМФ-зависимой протеинкиназы. 136 Кальций-зависимая регуляция кальциевых каналов осуществляется с помощью кальций-связывающего белка кальмодулина (СаМ), располагающегося в их устье. РН-зависимая регуляция кальциевых каналов: связана с тем, что при РН e ниже 7,0 снижается кальциевый ток, а при рН е = 6,1 он вообще равен 0. Фазы реполяризации ПД кардиомиоцитов обусловлены: 1. Инактивацией натриевых каналов; 2. Активация выходящего ионного тока – вых. Природа вых транзиторный калиевый ток ( 0 t К , – 50 мсек). Он чувствителен к блокаторам калиевых каналов: ТЭА, 4-аминопиридину, ионам цезия. Подразделяют транзиторный ток в зависимости от механизмов регуляции на: Са-зависимый 0 t К -ток Са-независимый Потенциал–чувствительные а К + -каналы Кальций–чувствительные Калиевые каналы, через который идет калиевый ток в зависимости от порога ( акт. ) и времени активации ( ) разделяют на: акт. К + t 0 - -50мВ 50мсек аномального выпрямления ПП 0-20мсек задержанного выпрямления –90-50мВ Ix 1 Ix 2 500мсек; 5сек Фаза плато (Фаза 2) ПД кардиомиоцитов обусловлена тем, что в этот период изменение мембранного потенциала не происходит: 0 dt dV |