Биофизика. Учебник для студентов фармацевтических и медицинских вузов удк 577. 3(075. 8) Ббк 28. 901я73 т 41
 Скачать 4.24 Mb.
|
|
? ? ? = ? ln г) ? ? ? = ? ? i б) ? ? ? = ? ln i i o o д) ? ? ? = ? i в) ? ? ? ? = ? ? [R ] 2 i i o Глава 11. Транспорт веществ через биологические мембраны 379 11.8. Поток вещества, транспортируемого переносчиками из области, где его концентрация равна св область, где концентрация этого же вещества равна нулю, описывается формулой: а) = г) б) = ln J RT c д) = RT J c в) = ? DK J c l ; 11.9. Изменение свободной энергии при проникновении одного моля ионов из раствора с диэлектрической проницаемостью в в мембрану с диэлектрической проницаемостью м составляет: а) ? ? ? = + ? ? ?? ? ? ? ? A 0 ? ? N 1 г) 2 A 0 ? ? ( ) N 8 ze W ? = ?? ? б) ? ? ? = ? ? ? ?? ? ? ? ? 0 ? ? 1 д) ? ? ? = ? ? ? ?? ? ? ? ? 2 A 0 ? ? ( ) N 1 1 8 ze W r в) ? ? ? = + ? ? ?? ? ? ? ? 2 0 ? ? ( ) 1 1 2 ze W r ; 11.10. По сравнению с простой диффузией облегченная диффузия: а) происходит с меньшей скоростью; б) происходит с большей скоростью; в) сопровождается изменением скорости транспорта, ноне по модулю, а по направлению; г) не сопровождается изменением скорости транспорта. насос транспортирует в клетку: а) 2Na + , а из клетки Кг) 3Na + , а из клетки 2К + ; б) 2K + , а из клетки да из клетки Ква из клетки 2Na + ; 11.12. Молекула валиномицина транспортирует через мембрану: а) К и г) К и Са 2+ ; б) преимущественно д) Нив) преимущественно Практические и тестовые задания Глава БИОФИЗИКА НЕРВНОГО ИМПУЛЬСА Нормальное функционирование организма невозможно без обмена информацией между клетками, одним из способов которого является возможность генерации и восприятия клетками нервного импульса. В организме существуют так называемые возбудимые клетки, к которым относятся мышечные, нервные и секреторные. Эти клетки способны откликаться каким-либо образом на их возбуждение. Так, мышечные клетки сокращаются, секреторные выделяют биологически активные вещества, а нервные генерируют электрические колебания нервный импульс 12.1. ПОТЕНЦИАЛ ПОКОЯ На мембране клетки всегда существует разность потенциалов, то есть электрический потенциал внутри клетки отличается от наружного. Эта разность потенциалов называется потенциалом покоя. Если наружный потенциал принять равным нулю, то внутренний составит от –50 до –90 мВ, в зависимости от вида клеток. Причиной возникновения потенциала покоя является наличие градиента концентраций ионов K + , Na + и Cl – на клеточной мембране (табл. 12.1.1). Допустим, что мембрана проницаема только для ионов калия и непроницаема для остальных, тогда потенциал покоя будет определяться равновесным калиевым потенциалом и описываться уравнением Нернста: K K + + ?? = [ ] ln , [ ] o где R — универсальная газовая постоянная T — абсолютная температура число Фарадея [K + ] o и [K + ] i — наружная и внутренняя концентрации ионов калия соответственно. Если внутриклеточная концентрация Кв раз превышает внеклеточную, то потенциал покоя при температуре 27 С составляет –100,7 мВ. Величина потенциала покоя всегда несколько ниже равновесного калиевого потенциала, что объясняется просачиванием внутрь клетки ионов натрия, которые приносят туда свой положительный заряд. Диффузия отрицательно заряженных ионов хлора, наоборот, способствует увеличению ??. Таким образом, вклад в формирование потенциала покоя вносят потоки всех ионов, коэффициенты проницаемости которых отличны от нуля. Вычислим зависимость потенциала покоя от концентрации и коэффициентов проницаемости ионов. В дальнейших расчетах будем учитывать только ионы K + , Na + , В стационарном состоянии сумма потоков ионов через мембрану равна нулю: Na K Cl 0, J J J + ? = (12.1.2) хотя потоки отдельных ионов могут быть и отличны от нуля. Так как ионы хлора заряжены отрицательно, то перед потоком ионов хлора J Cl ставится знак Таблица Концентрация ионов K + , Na + и Cl – внутри и снаружи клетки, значения равновесных потенциалов, потенциалов покоя и потенциалов действия некоторых клеток Клетки Значения концентраций ионов внутри) и снаружи (клетки, мМ Равновесный потенциал для разных ионов, мВ Измеренные потенциалы, мВ К i + К о + Na i + Na о i – Cl о – К + Na + Cl – по- коя на максимуме потенциала действия Гигантский аксон каракатицы 10,4 49 463 114 Гигантский аксон кальмара 10,0 69 425 157 Мышечное волокно лягушки) (1:7) (1:64) –98 +49 –105 Моторный нейрон кошки 5,5 15 150 9 125 –90 +60 –70 –90 +30 § 12.1. Потенциал покоя Выразим из уравнения Гольдмана см. формулу (11.2.17) потоки для ионов K + , Na + , Cl – с учетом их заряда z: (12.1.3) + ?? + ?? ?? ? = ? ? / Na Na / [Na ] e [Na ] ; 1 e F RT i o F RT F P J RT (12.1.4) Cl Cl Cl ? ? ?? ? ? ?? ?? ? = ? ? ? / / [ ] e [ ] 1 e F RT i и подставим их в уравнение (12.1.2). Сократив на общий множитель , F RT ?? запишем: / / K K Na Na / / [K ] e [K ] [Na ] e [Na ] 1 e 1 e F RT F RT i o i o F RT F RT P P P P + ?? + + ?? + ?? ?? ? ? + + ? ? / Cl Cl / [Cl ] e [Cl ] 0. 1 e F RT i o F RT P P ? ? ?? ? ? Разделив числитель и знаменатель последнего слагаемого на множитель получаем ] e [K ] [Na ] e [Na ] F RT F RT i o i o P P P P + ?? + + ?? + ? + ? ? / Cl Cl [Cl ] [Cl ] e 0; F RT i o P P ? ? ?? ? + = ( ) / K Na Cl K Na Cl e [K ] [Na ] [Cl ] [K ] [Na ] [Cl ] F RT i i o o o или ] [Na ] [Cl ] ln [K ] [Na ] [Cl ] o o i i i o P P P F RT P P P + + ? + + ? + + ?? В результате получаем ] [Na ] [Cl ] ln [K ] [Na ] [Cl ] o o i i i o P P P RT F P P P + + ? + + ? + + ?? Глава 12. Биофизика нервного импульса Данное выражение называется уравнением Гольдмана—Ходжки- на—Катца. В состоянии покоя мембранные проницаемости для ионов K + , Na + и Cl – относятся друг к другу как : P Na : P Cl = 1 : 0,04 : Так как в покое проницаемость клетки для ионов калия намного больше ее проницаемости для других ионов, то потенциал покоя определяется преимущественно разностью концентраций ионов ка- лия. Поддержание разности концентраций ионов осуществляется при помощи работы ионных насосов, использующих энергию АТФ. Na + ,K + -насос, кроме того, способствует увеличению трансмемб- ранного потенциала, так как выводит три иона натрия и закачивает в клетку только два иона калия, что увеличивает положительный заряд межклеточной среды, а следовательно, увеличивает потенциал покоя. Увеличение трансмембранной разности потенциалов называется гиперполяризацией, уменьшение — деполяризацией. В последнем случае может даже измениться знак внутриклеточного потенциала. Нарушение работы АТФ-азы, которое можно вызвать, например, действием сердечного гликозида уабаина, уменьшает потенциал покоя. К такому же эффекту приводит действие различных ядов (например батрахотоксина), увеличивающих проницаемость клеточной мембраны для ионов натрия. Деполяризацию вызывает также торможение процессов, обеспечивающих в клетке синтез АТФ 12.2. ПОТЕНЦИАЛ ДЕЙСТВИЯ При воздействии на клетку какого-либо раздражителя ее транс- мембранный потенциал изменяется, возникает так называемый потенциал действия, или спайк. Причиной такого колебания потенциала покоя является изменение проницаемости мембраны для натрия, что, в свою очередь, вызвано открытием натриевых ионных каналов. При возбуждении проницаемости мембраны для ионов калия и натрия относятся друг к другу как : P Na = 1 : В результате поток ионов натрия в клетку начинает превышать поток ионов калия из клетки (рис. 12.2.1). Если раньше потенциал на мембране был близок к равновесному калиевому потенциалу, то теперь он стремится к равновесному натриевому, ноне дости- § 12.2. Потенциал действия 384 гает его только вследствие того, что проводимости для ионов калия и хлора отличны от нуля. В клетке происходит деполяризация мембраны отрицательный потенциал клетки приближается к нулю, а потоми вовсе меняет знак на противоположный (рис. 12.2.2). Последний процесс называется реверсией мембранного потенциала. Максимальное значение потенциала действия составляет обычно 30…40 мВ. Увеличе- Рис. 12.2.1. Зависимость проводимости мембраны для ионов натрия и калия и g K ) от времени t для гигантского аксона кальмара вовремя генерации потенциала действия Рис. 12.2.2. Фазы потенциала действия — фаза деполяризации 2 — фаза реполяризации; 3 — следовой потенциала отрицательный б — положительный Для сравнения равновесный натриевый потенциал гигантского аксона кальмара составляет +46 мВ. Глава 12. Биофизика нервного импульса 385 ние натриевой проводимости длится доли миллисекунд. Далее она начинает снижаться, а калиевая — возрастать, в результате чего в клетке восстанавливается потенциал покоя. Этот процесс называется реполяризацией клеточной мембраны. Для восстановления потенциала покоя клетке требуется некоторое время. В процессе реполяризации сначала происходит быстрое приближение к нормальному значению потенциала покоя, затем скорость изменения потенциала уменьшается, и клетка некоторое время пребывает в деполяризованном состоянии. Это называется следовой деполяризацией. В некоторых клетках, наоборот, возникает следовая гиперполяризация, то есть в процессе реполяри- зации разность потенциалов начинает превышать обычную. Оба эти отклонения от нормального значения потенциала покоя называются следовыми потенциалами (рис. Длительность потенциала действия отличается для различных клеток (колеблется в пределах от 0,5 до 3 мс) и существенно зависит от температуры. При ее уменьшении на 10 °С время существования потенциала действия увеличивается в три раза. Длительность реполяриза- ции обычно превышает длительность деполяризации. Вычислим электрический ток м через мембрану. Он состоит из емкостного тока Си тока ионов см. эквивалентную схему на рис.12.2.3): ? ? C I I I = + ? (12.2.2) Емкостной ток обусловлен перезарядкой конденсатора (мембраны) (см. § 10.1) и равен отношению количества заряда dq, прошедшего через мембрану за время dt. Так как dq = мм (см. § 9.2), где C м — емкость мембраны, м — трансмембранный потенциал, то Ионный ток обусловлен протеканием через трансмемб- ранные каналы ионов K + , Na + , а также других ионов (например, ток которых называется током утечки I ут : Рис. 12.2.3. Эквивалентная электрическая схема возбудимой мембраны, R Na , R ут — сопротивление участка мембраны для ионов K + , Na + и остальных ионов соответственно ? K , ? Na , ? ут — равновесный потенциал Нернста для них м — трансмембран- ный потенциал 12.2. Потенциал действия Тогда суммарный мембранный ток равен Для непосредственного изучения ионных токов необходимо исключить емкостной ток. Это достигается с помощью метода фиксации потенциала, который заключается в том, что на некотором участке мембраны потенциал смещается до некоторой заданной величины и удерживается на данном уровне с помощью схемы с обратной связью. На основании закона Ома запишем ток ионов данного типа. ? , I g = ? ? где ? ? 1 g R = — проводимость (величина, обратная сопротивлению) для данного типа ионов м — трансмембранный потенциал и. р равновесный потенциал Нернста данного типа ионов. Метод фиксации потенциала позволил изучить механизм генерации потенциала действия. Изменяя ионный состав среды, Ход- жкин и Хаксли показали, что фаза деполяризации мембраны обусловлена увеличением ее проводимости для ионов Na + , а фаза деполяризации — снижением натриевого и увеличением калиевого токов. В ходе проведенных экспериментов была выдвинута гипотеза о существовании потенциалзависимых специфических калиевых и натриевых каналов, которые могут чередовать во времени открытое и закрытое состояние, регулируя тем самым проницаемость мембраны для ионов данного типа в зависимости от величины мембранного потенциала. В последнее время появился метод, позволяющий определять ионный ток через отдельно взятый ионный канал, так называемый метод «пэтч-клэмп» 1 . Этот метод также используется для изучения белков, формирующих ионные каналы. Действие раздражителя обычно приводит к локальной деполяризации мембраны. Это вызывает открытие натриевых каналов, чувствительных к изменению потенциала, а следовательно увеличивает натриевую проводимость, что приводит к еще большей деполяризации. Указанный процесс способствует открытию новых натриевых каналов. Существование такой обратной связи обеспечивает регенеративную или самообновляющуюся деполяризацию клеточной мембраны Patch — заплата, clamp — зажим (англ.). Глава 12. Биофизика нервного импульса После возникновения потенциала действия данный участок мембраны нервной клетки некоторое время находится в невозбудимом рефракторном состоянии, то есть действие раздражителя не вызывает генерацию потенциала действия, так как натриевые каналы некоторое время после активации находятся в закрытом состоянии и неспособны открыться в ответ на изменение трансмембран- ного потенциала. При возникновении потенциалов действия в клетке уменьшается концентрация ионов калия и увеличивается концентрация ионов натрия. Поэтому в этих условиях необходима активация мембранных насосов, осуществляющих активный транспорт ионов. Так как для этого требуются молекулы АТФ, тов клетке активируются процессы дыхания, увеличивается потребление кислорода и теплообмен 12.3. РАЗДРАЖЕНИЕ МЕМБРАНЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ В эксперименте возбуждение мембран чаще всего производят электрическим током, что позволило получить многие количественные характеристики этого процесса. Водном из наиболее распространенных методов в исследуемую клетку помещают анода катод оставляют во внеклеточной среде. Пропускание электрического тока вызывает деполяризацию мембраны, а следовательно возникновение потенциала действия. При противоположной полярности электродов, когда анод оставляют у поверхности клетки, а катод помещают внутрь, возникновение потенциала действия невозможно, так как происходит гиперполяризация мембраны. Было замечено, что амплитуда потенциала действия не зависит от силы раздражителя, асам он возникает только в том случае, если деполяризация превысила некоторый пороговый уровень, определяемый свойствами данной клетки. Это явление получило название закона все или ничего. Однако если деполяризация составляет 50—75 % от уровня пороговой, тов клетке может возникнуть так называемый локальный ответ, амплитуда которого значительно ниже амплитуды потенциала действия (рис. 12.3.1). Чем выше уровень подпороговой деполяризации, то есть чем ближе он к пороговой, тем выше амплитуда локального ответа. Отсутствие потенциала действия при подпороговом уровне деполяризации объясняется тем, что при этом недостаточно увеличивается натриевая проницаемость, чтобы вызвать регенеративную деполяризацию. Возникающий уровень деполяризации не 12.3. Раздражение мембраны электрическим током вызывает открытия новых натриевых каналов, поэтому натриевая проводимость быстро уменьшается, ив клетке восстанавливается потенциал покоя. Следует отметить, что амплитуда потенциала действия и пороговый уровень деполяризации не являются строго постоянными величинами для данной клетки. Длительная деполяризация приводит к увеличению инактивации натриевых каналов и активации калиевых, следствием чего является уменьшение амплитуды потенциала действия и увеличение порогового уровня деполяризации. Длительная гиперполяризация вызывает обратные эффекты увеличение амплитуды потенциала действия и уменьшение порогового уровня деполяризации. Возникновение потенциала действия зависит не только от силы тока, но и от времени его действия. Чем больше сила тока, тем меньше времени требуется подавать его на клетку, чтобы возник потенциал действия. Действие больших токов в течение короткого промежутка времени не вызывает нужного уровня деполяризации, так же как и действие в течение длительного времени токов малой силы. Наименьший ток, который способен вызвать потенциал действия, называется реобазой (отрезок ОА на рис. 12.3.2); соответствующее ему время возбуждения — полезным временем (отрезок ОС на рис. 12.3.2). В биологии и медицине часто используется термин хронаксия (отрезок В на рис. 12.3.2), означающий время, в течение которого должен действовать ток в две реобазы отрезок на рис. 12.3.2), вызывающий возбуждение. Для каждой клетки существует свое значение реобазы и хронаксии, поэтому измерение этих характеристик имеет диагностическое значение. Рис. 12.3.1. Локальный ответ: А, Б, В — изменение трансмембранного потенциала при действии подпорогового возбуждения А локальный ответ отсутствует Б, В — подпороговая деполяризация стимулировала развитие локального ответа (пассивные изменения потенциала обозначены пунктирной линией Г — критический уровень деполяризации перерастает в потенциал действия Рис. 12.3.2. Зависимость минимального уровня силы тока, вызывающего потенциал действия, от времени его воздействия на клетку Глава 12. Биофизика нервного импульса 389 § 12.4. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ВОЗБУЖДЕНИЯ ПО НЕРВНОМУ ВОЛОКНУ Нервные волокна делятся на миелинизированные (мякотные) и немиелинизированные (безмякотные). Миелинизированное нервное волокно состоит из осевого цилиндра, покрытого цитоплазматической мембраной и содержащего аксоплазму (рис. 12.4.1). Вокруг него многократно обертываются шванновские клетки (в периферической нервной системе) или олигодендроглии (в центральной нервной системе, слои которых сливаются и образуют миелиновую оболочку нервного волокна. Через равные промежутки (от 0,2 до 2 мм, характерные для данной клетки, эта оболочка прерывается, и мембрана осевого цилиндра остается открытой. Такие участки волокна называются перехватами Ранвье. Их длина составляет примерно 1 мкм. Миелиновая оболочка, состоящая из мембранных липидов и белков, является надежным изолятором нервной клетки, благодаря ей возбуждение может возникнуть только на оголенном участке мембраны аксона. Немие- линизированные нервные волокна не имеют такой плотной жировой оболочки. Шванновская клетка окружает их только один раз. Возбуждение какого-либо участка немиелинизированого нервного волокна приводит к локальной деполяризации мембраны. В тоже время остальная (невозбужденная) часть мембраны сохраняет свою обычную разность потенциалов наружная среда заряжена положительно, а внутренняя — отрицательно. Между возбужденной и невозбужденной областями возникают местные токи (рис. 12.4.2). Это приводит к деполяризации соседнего участка, который, в свою очередь, депо- ляризует следующий. Подсоединив электроды осциллографа к двум участкам клеточной мембраны, можно пронаблюдать распространение потенциала действия. Такой способ проведения возбуждения называется непрерывным. В миелинизированных нервных волокнах непрерывное проведение нервного импульса невозможно. Возбуждение (деполяризация) может возникать не по всей длине мембраны, а только в перехватах Ранвье. Деполяризация одного такого участка А вызывает Рис. 12.4.1. Миелинизированное нервное волокно Рис. 12.4.2. Непрерывное проведение возбуждения по нервному волокну 12.4. Распространение возбуждения по нервному волокну деполяризацию соседнего участка Б (рис. 12.4.3). Далее возбуждение способно перейти только к участку В, так как А в течение некоторого времени остается нечувствительным к возбуждению (рефракторным). По этой причине импульс распространяется по нервному волокну только водном направлении. Возникающий потенциал действия в несколько раз превышает порог, необходимый для возникновения возбуждения в следующем перехвате Ранвье, который, таким образом, каждый раз усиливает сигнал, ослабевающий в результате сопротивления меж- тканевой жидкости и аксоп- лазмы, и действует подобно ретранслирующему генератору. Механизм распространения возбуждения по миелинизированным волокнам называется скачкообразным или сальтаторным. Сальтаторный механизм выгоднее непрерывного, так как позволяет увеличить скорость проведения нервного импульса ибо- лее экономичен с энергетической точки зрения деполяризуются только небольшие участки мембраны, возникают меньшие потери ионов, следовательно, клетке приходится расходовать меньше энергии для обеспечения работы, Na + ,K + -насосов. При одном из аутоиммунных заболеваний — рассеянном склерозе иммунная система организма разрушает миелиновую оболочку, происходит оголение (демиелинизация) нервных волокон. При этом проведение нервных импульсов через пораженный участок нарушается, что приводит к различным проявлениям нарушению зрения и координации, мышечной слабости, повышению мышечного тонуса и др. Демиелинизация может происходить и при некоторых других заболеваниях невралгиях, радикулитах, различных полиневропатиях. § 12.5. СКОРОСТЬ ПРОВЕДЕНИЯ НЕРВНОГО ИМПУЛЬСА Распределение потенциала действия ? в зависимости от расстояния и времени t по немиелинизированному нервному волокну определяется так называемым телеграфным уравнением l x ? ? ? где D — диаметр волокна l — толщина мембраны См — электроемкость удельное сопротивление аксоплазмы; м — удельное Рис. 12.4.3. Распространение возбуждения в миелинизированном нервном волокне Глава 12. Биофизика нервного импульса сопротивление мембраны, которое резко снижается при возбужде- нии. Решение этого уравнения в стационарном режиме (при t |