Перевод с английского канд мед наук Н. Н. Алипова, канд биол наук Н. Ю. Алексеенко, д-ра биол наук М. А. Каменской, канд биол наук О. В. Левашова, канд биол наук Ю. Б. Шмуклера под редакцией акад. П. Г. Костюка icon

Перевод с английского канд мед наук Н. Н. Алипова, канд биол наук Н. Ю. Алексеенко, д-ра биол наук М. А. Каменской, канд биол наук О. В. Левашова, канд биол наук Ю. Б. Шмуклера под редакцией акад. П. Г. Костюка





НазваниеПеревод с английского канд мед наук Н. Н. Алипова, канд биол наук Н. Ю. Алексеенко, д-ра биол наук М. А. Каменской, канд биол наук О. В. Левашова, канд биол наук Ю. Б. Шмуклера под редакцией акад. П. Г. Костюка
страница5/36
Н. Н. Алипова
Дата25.03.2013
Размер8.58 Mb.
ТипЛитература
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   36
^

2.3. Токи через потенциалзависимые мембранные каналы


Локальная фиксация потенциала мембраны. До

сих пор мы рассматривали токи и сдвиги проводимости всей мембраны при ее деполяризации. Несколько лет назад был разработан метод регистрации токов в микроучастках мембраны диаметром примерно 1 мкм, который позволяет идентифицировать молекулярные реакции одиночных каналов на основе зависимостей ионных токов от потенциала и времени. Рис. 2.11 иллюстрирует принцип локальной фиксации потенциала ("patch clamp") [12, 24]. Стеклянная микропипетка, диаметр кончика которой меньше 1 мкм, подводится к клетке вплоть до контакта с мембраной, и когда через пипетку подается отрицательное давление, пипетка обычно закупоривается участком мембраны; электрическое сопротивление между пипеткой и внеклеточным раствором возрастает скачком более чем до 1 ГОм (109 Ом). В результате микроучасток мембраны электрически изолируется от остальной мембраны. Канал пипетки соединен с усилителем обратной связи, который обеспечивает регулирующую цепь для поддержания потенциала пипетки на заданном уровне. Ток, необходимый для стабилизации потенциала-«ток фиксации»-точно соответствует току,

протекающему в каждый момент через микроучасток мембраны. Командный потенциал усилителя можно устанавливать произвольно, так что регистрация токов через микроучасток мембраны может осуществляться при различных мембранных потенциалах или после ступенчатых сдвигов потенциала.

Гигаомный контакт между пипеткой и мембраной настолько прочен, что после отведения пипетки микроучасток мембраны часто отрывается от клетки, оставаясь прикрепленным к кончику пипетки. В этом случае регистрацию можно производить в микроучастке мембраны, отделенном от клетки, причем цитоплазматическая поверхность этого участка может омываться любым нужным раствором. Путем искусных манипуляций микроучасток мембраны можно даже перевернуть на пипетке наружной стороной мембраны наружу. Тогда цитоплазматическую поверхность можно орошать раствором в пипетке, который должен примерно соответствовать внутриклеточной среде, а на наружную поверхность могут воздействовать растворы различного состава; такая конфигурация «наружной стороной наружу» („outside-out") очень полезна для тестирования реакций каналов мембраны на изменения состава внеклеточной среды, на медиаторы или на фармакологические средства внеклеточного действия. Достаточно прочный контакт между участком мембраны и кончиком пипетки может быть достигнут только при абсолютной чистоте стекла пипетки и мембраны. Образованию контакта могут мешать волокна соединительной ткани, которые обычно приходится удалять путем обработки мембраны такими ферментами, как коллагеназа [12].

^ 36 ЧАСТЬ I ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ КЛЕТКИ



Рис. 2.11. Схема локальной фиксации мембранного потенциала («пэтч-кламп»). Изображен продольный срез через регистрирующую микропипетку (обозначена черным цветом) с диаметром контактирующего с мембраной кончика ~1 мкм. Если кончик электрода абсолютно чист и поверхность клетки освобождена от волокон соединительной ткани, то при подаче через пипетку отрицательного давления образуется тесный контакт, который создает электрическую изоляцию каналов находящегося в кончике пипетки микроучастка мембраны от остальной мембраны клетки (вставка). Таким способом можно регистрировать токи каналов с помощью усипителя обратной связи, соединенного с раствором электролита в пипетке (по [12, 24] с изменениями)

Токи через одиночные Na+-каналы. Токи через микроучасток мембраны, процедура регистрации которых показана на рис. 2.11, схематически представлены на рис. 2.12. Слева приведены 10 записей Na+-тока, при каждой из которых мембрана была деполяризована на период 14 мс. В каждом случае наблюдается только единственный короткий импульс тока с амплитудой —1,6 пА; это ток, протекающий через одиночную белковую молекулу Na+-канала. Длительность импульсов тока, которая соответствует времени открытого состояния канала, значительно варьирует около среднего значения 0,7 мс. Моменты открывания также варьируют, но при суммировании многих одиночных отведений получается результирующий временной ход тока, который на рис. 2.12 вверху слева изображен под записью скачка потенциала. Судя по записи временного хода тока, вероятность открывания канала резко возрастает при деполяризации, достигает максимума через 1,5 мс, затем снижается и становится минимальной через 10 мс после скачка деполяризации. Такое уменьшение вероятности открывания канала после деполяризации соответствует инактивации суммарного Na+-TOKa [8, 31].

Отсюда следует, что открывание Na+-каналов при деполяризации не является строго детерминированным процессом; скорее происходит повышение вероятности открывания канала, а после того как он открылся, существует определенная вероятность, что он снова закроется. Таким «стохастическим» поведением обладают химические реакции, так что различные состояния канала - «закрытое, но способное к активации», «открытое» и «закрытое инактивированное» (неспособное к активации) можно связать между собой посредством постоянных скорости, как и в случае химических реакций. Простейшая модель поведения Na+-канала включает эти три состояния (рис. 2.13). Переход от закрытого и способного к активации в открытое состояние обеспечивается деполяризацией. Однако деполяризация ускоряет также и переход в инактивированное состояние, поэтому открытый канал подвергается быстрой инактивации и остается инактивированным, пока в результате ре- или гиперполяризации мембраны не вернется в закрытое, но способное к активации состояние. Равновесие между закрытым, но способным к активации и закрытым инактивированным состояниями тоже устанавливается посредством мембранного потенциала; это соотношение проявляется в виде зависимости от исходного потенциала способности Na+-TOKa к активации (рис. 2.8) [8].

^ Токи через одиночные К+-каналы. На рис. 2.12 справа схематически представлены токи одиночных К+-каналов, аналогично токам Na+-KaHaлов (см. слева). Импульсы тока тоже имеют маленькую амплитуду (всего лишь +2 пА), а продолжительность открытого состояния канала варьирует вблизи среднего значения 5 мс. Однако в период открытого состояния К+-канал часто на короткое время закрывается, т. е. происходят быстрые осцилляции между открытым и закрытым состояниями. Такие «вспышки» открываний наблюдаются для многих типов каналов (с. 39 и 65). В отличие от Na+-канала, К +-канал не инактивируется во время деполяризации; пока продолжается деполяризация, индивидуальные каналы непрерывно открываются и закрываются. В соответствии с этим, при суммации отведений получается кривая К+-тока, которая нарастает до стационарного уровня. Таким образом, описывая поведение токов К+-каналов с помощью модели, представленной на рис. 2.13, следует отметить, что инактивированное состояние в данном случае отсутствует, но наблюдаются два последовательных закрытых состояния, которые обеспечивают прерывистый характер вспышек [34] (см. Ca2+-канал).

Рис. 2.12 отражает поведение К+-каналов, типичное для нервных волокон: задержанное нарастание суммарного тока при деполяризации, заметное повышение проводимости во время деполяризации от

^ ГЛАВА 2. ПЕРЕДАЧА ИНФОРМАЦИИ ПОСРЕДСТВОМ ВОЗБУЖДЕНИЯ 37





Рис. 2.12. Токи через натриевые (слева) и калиевые (справа) каналы (схематическое изображение). С помощью локальной фиксации потенциала производили сдвиг потенциала длительностью 14 мс от —80 до —40 мВ (черная линия): ниже показаны мембранные токи, зарегистрированные при нескольких таких последовательных сдвигах потенциала. Во время деполяризации токи одиночного канала могут возникать в любой момент, причем длительность их варьирует. При объединении многих записей токов в условиях синхронизации скачков потенциала получаются суммарные кривые токов, показанные вверху красным (lNa и Ικ). Временной ход lNa свидетельствует о том, что вероятность открывания Na+-каналов наиболее высока вскоре после скачка потенциала, а примерно через 1 мс эти каналы открываются все реже и в конце концов инактивируются. Большая часть К+-каналов открывается с некоторой задержкой после скачка потенциала, затем средняя частота открываний остается на постоянном уровне в течение всего периода деполяризации

потенциала покоя и отсутствие инактивации (ср. рис. 2.6). Обнаружено по крайней мере пять других типов К+-каналов. Они различаются, например, соотношением между открыванием канала и потенциалом мембраны, характеристиками инактивации (см. рис. 2.25) или же зависимостью не только от деполяризации, но и от внутриклеточной концентрации Са2+. Эти типы К+-каналов обнаружены в клетках различных типов или частях клетки и присутствуют либо по отдельности, либо в виде определенных сочетаний. Именно разнообразие К+-каналов обусловливает вариации формы потенциалов действия, а также различную скорость реполяризации и особенности следовых потенциалов (см. рис. 2.4). Существует яркий контраст между многообразием К+-каналов и одновременно Na+-каналов, которые в возбудимых клетках животных всех типов быстро активируются деполяризацией, а затем быстро инактивируются.

^ Токи через одиночные Ca2+-каналы. До сих пор мы не упоминали о том, что при деполяризации клетки открываются также Ca2+-каналы. При этом

возникает входящий кальциевый ток, который вместе с одновременно развивающимся Na+-током обеспечивает деполяризацию мембраны. Концентрация свободных ионов Са+ в клетке очень низка (табл. 1.1), так что равновесный потенциал для Ca2 + более положителен, чем ENa (гл. 1, уравнение 4, с. 13). В аксонной мембране gCa меньше по сравнению с gNa, поэтому этой величиной можно пренебречь при анализе потенциала действия (рис. 2.7). Однако в дендритах нейронов или в окончаниях аксонов (см. с. 62) во время деполяризации gCa может возрастать, превышая gNa. В миокарде и тем более в гладких мышцах повышение gCa бывает столь же велико, как и повышение gNa, а иногда и более значительно. Такие входящие токи Са2+ представляют особый интерес из-за их влияния на внутриклеточную концентрацию Са2+, [Са2+]i , которая может возрастать с 107 до 106 М; это повышение [Са2 + ]; часто выполняет в клетке регулирующие функции (см. с. 23 и рис. 1.16). Механизм открывания Ca2+-каналов и последующие внутриклеточные процессы являются филогенетически очень древними - они выявлены даже у простейших.

^ 38 ЧАСТЬ I. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ КЛЕТКИ



Рис. 2.13. Модель состояний Na+-каналов. «Закрытое, способное к активации» состояние при деполяризации может преобразовываться в «открытое активированное» или «закрытое инактивированное» состояние. Когда канап находится в «открытом активированном» состоянии, стойкая деполяризация способствует переходу в «закрытое инактивированное» состояние. Возвращение канала в «закрытое, способное к активации» состояние может происходить только в результате реполяризации. (Более реальная модель включает последовательно 3 «закрытых, способных к активации» и 4 «закрытых инактивированных» состояния [8].)

Токи одиночных Ca2 +-каналов в миокарде (рис. 2.14) характеризуются несколько более сложным поведением по сравнению с Na+- и К+-токами, показанными на рис. 2.12. Во время серий деполяризационных скачков потенциала примерно в 70% случаев возникают довольно длительные вспышки импульсов тока, каждый амплитудой около 1 пА, а в 30% случаев канал остается закрытым. Индивидуальные открывания во время вспышек продолжаются в среднем около 1 мс, а закрытые состояния между ними - только 0,2 мс. Суммарный Ca2+-ток во время деполяризации (нижние записи на рис. 2.14) быстро нарастает и инактивируется с постоянной времени примерно 130 мс, причем общий ток определяется длительностью и частотой вспышек. Кинетику канала проще всего описать (в соответствии с рис. 2.13) следующим уравнением:

Закрытое состояние 1Закрытое состояние 2

Открытое состояние (2)

Здесь от переходов между «Закрытым состоянием 2» и «Открытым состоянием» зависит длительность и частота индивидуальных открываний, а от переходов между «Закрытым состоянием 1» и «Закры-





Рис. 2.14. А. Б. Токи одиночных кальциевых каналов в клетках миокарда. Вверху, деполяризация длительностью 600 мс от —70 до +10 мВ, создаваемая методом локальной фиксации потенциала. Ниже представлены 4 записи токов одиночного канала. А. В нормальных условиях деполяризация в 30% случаев не вызывает токов через канал (записи не представлены). Внизу: суммарный ток, полученный путем усреднения многих индивидуальных записей токов одиночного канала: видна инактивация Ca2 +-тока после деполяризации. Б. В присутствии 1 мкМ адреналина группы открываний одиночного канала становятся продолжительнее; при этом деполяризация не вызывает открываний канала только в 20%. Адреналин не влияет на амплитуду токов одиночного канала, но амплитуда суммарного тока (внизу) значительно возрастает (по [32] с изменениями)

^ ГЛАВА 2. ПЕРЕДАЧА ИНФОРМАЦИИ ПОСРЕДСТВОМ ВОЗБУЖДЕНИЯ 39

тым состоянием 2»-частота и длительность вспышек. Уравнение (2) требует дополнения, чтобы учесть инактивированное состояние, как показано на рис. 2.13 [32].

Записи активности Ca2 +-канала на рис. 2.14 служат также примером модуляции активности канала гормоном или медиатором (см. с. 65). Адреналин, секретируемый корой надпочечников как «эрготропный гормон», поступает к сердцу с кровотоком; один из его эффектов состоит в увеличении частоты сердечных сокращений. Кроме того, он высвобождается (вместе с норадреналином) в качестве медиатора из симпатических нервов сердца, вызывая тот же эффект (с. 462). В эксперименте, результаты которого приведены на рис. 2.14, Б, адреналин в концентрации 10 6 Μ апплицировали на клетку миокарда. После этого деполяризация вызвала примерно в 80% случаев активность одиночных Ca2+-каналов с повышенной частотой вспышек. Кратковременные открывания и закрывания каналов были такими же, как раньше. Суммарная кривая (рис. 2.14, Б. внизу) отчетливо показывает, что адреналин увеличивал вход Са2 + . Такой же эффект можно вызвать перфузией клеток миокарда раствором с циклическим аденозинмонофосфатом (цАМФ) или применением каталитической субъединицы цАМФзависимой протеинкиназы (ПК-Α). Эти наблюдения свидетельствуют, что адреналин действует здесь через второй посредник -цАМФ, вызывая фосфорилирование ферментов каталитической субъединицей протеинкиназы (рис. 1.15, с. 24) [19]. Таким образом, адреналин, по-видимому, увеличивает Ca2+-ток путем инициации фосфорилирования Ca2 +-канала, которое способствует переходу из «Закрытого состояния 1» в «Закрытое состояние 2». Эффект адреналина, представленный на рис. 2.14, может служить прототипом модуляции клеточной активности гормонами или медиаторами.

В мембране, несомненно, существуют еще и Cl -каналы. Они изучены недостаточно подробно, поэтому рассматриваться здесь не будут.

Молекулы Na+-канала. Белки различных каналов очень сходны между собой по структуре и функциям; полагают, что все они происходят от Са2+канала. Поскольку наиболее тщательно исследована молекула Na+-канала, мы вновь обратимся к нему. Na+-канал состоит из гликопротеина с молекулярной массой ~ 300 000. Недавно установлена его аминокислотная последовательность. Изолированные молекулы можно включить в искусственные липидные мембраны, где они продолжают функционировать [8]. Число имеющихся в мембране Na+каналов можно определить путем «титрования» тетродотоксином, который связывается с этими каналами, или путем деления величины Na+-тока через мембрану площадью 1 мкм2 на амплитуду тока

одного канала. Разные типы мембран содержат от 1 до 50 каналов на 1 мкм2. При плотности 50 каналов· мкм2 среднее расстояние между ними составляет около 140 нм. Если принять диаметр молекулы канала равным примерно 8 нм, а диаметр просвета канала, когда он открыт,- около 0,5 нм, то оказывается, что каналы находятся друг от друга довольно далеко.

В течение 1 мс открытого состояния через один такой канал входит примерно 1 пА тока, перенося заряд, равный 1015 Кл. Емкость мембраны обычно равна 1 мкФ см2 или 1014 Ф мкм2. Поскольку 1Ф = 1 Кл-В1, заряд величиной 1015 Кл мкм2. который входит в клетку за время одного открывания каналов, достаточен для смещения мембранного потенциала на 100 мВ; иными словами, такой заряд обеспечивает фазу нарастания потенциала действия. Заряд величиной 1015 Кл переносит 6000 ионов Na + . Повышение внутриклеточной концентрации, обусловленное поступлением 6000 ионов Na+ в примембранную область объемом 1 мкм3, пренебрежимо мало, 105 М. Следовательно, токи каналов достаточно велики для обеспечения генерации потенциала действия, но не создают заметных изменений внутриклеточных концентраций ионов (за исключением [Ca2+]i). Таким образом, восстановление трансмембранных ионных градиентов посредством Na/К-насоса (с. 15) не играет роли в случае одиночного потенциала действия.

Белок Na+-канала должен быть способен не только быстро включать массивный поток Na+, но и предотвращать одновременный вход других ионов, особенно К+, которые имеют почти те же размеры. Значит, Na+-каналы должны характеризоваться избирательностью. Что касается анионов, то они удерживаются отрицательными зарядами у входа в канал, как это показано на схеме (рис. 2.15). Из мелких катионов Li + проходит через Na+-канал относительно хорошо, тогда как К+ практически не пропускается. Избирательность можно объяснить только специфическим связыванием иона во время его прохождения через канал, о чем уже говорилось при обсуждении энергетического уровня связывания вдоль канала (рис. 1.5, Б) [21].

Кроме избирательности для Na+, Na+-канал должен обладать способностью быстро изменять свою проницаемость при изменениях мембранного потенциала. Следовательно, молекула Na+-канала должна нести заряды, которые могут смещаться под влиянием сдвигов силы электрического поля через мембрану. Смещения этих зарядов регистрируются в виде «воротных токов» [3, 9, 23] после полной блокады ионных каналов; воротные токи свидетельствуют о смещении по крайней мере 4 зарядов на канал. Эти 4 заряда представлены на рис. 2.15 как «датчик электрического поля», способствующий изменению конформации молекулы, при котором ка-

^ 40 ЧАСТЬ I. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ КЛЕТКИ

нал открывается. Открытое состояние нестабильно и преобразуется спонтанно в закрытое инактивированное состояние. Инактивация осуществляется участками канального белка, находящимися на внутренней стороне мембраны. Вещества, которые действуют внутриклеточно, например иодат или проназа, а также специфические токсины и фармакологические препараты, могут блокировать инактивацию.

Еще один способ блокады Na+-канала представляет интерес для медицины. ^ Местные анестетики используются для предотвращения генерирования и распространения возбуждения в нервах, с тем чтобы потенциалы действия от «болевых рецепторов» не поступали в ЦНС. Анестетики обычно вводят около того нерва, который нужно блокировать. Однако их молекулы связываются только с открытыми каналами, в участке между входом в селективную пору и «воротами» (рис. 2.15) [25. 30]. Молекулы местных анестетиков слишком велики, чтобы войти в устье канала с наружной стороны мембраны. Они могут входить в открытый канал только с внутренней стороны мембраны или же, если они жирорастворимы, через липидную мембрану. Вызываемые ими закрывания канала часто продолжаются только несколько миллисекунд, но повторяются с высокой частотой; разбивая ток одиночного канала на много коротких фрагментов, анестетики делают вход Na+ неэффективным.
^

2.4. Электротон и стимул


Обсудив молекулярные основы возбуждения, вернемся к макроскопическому поведению нервных клеток.

Возбуждение возникает при деполяризации мембраны до или выше порогового уровня; этот процесс называется также стимуляцией, или раздражением. Как правило, стимулом служит приложенный извне электрический ток, во время протекания которого происходит деполяризация мембраны. Поэтому прежде чем рассмотреть, каким образом стимул вызывает возбуждение, обратимся к процессу деполяризации мембраны электрическим током, начиная с таких небольших сдвигов потенциала, которые не изменяют проводимость мембраны.
^
Электротон в случае равномерного распределения тока

Простейшую модель для изучения ответов мембраны на прохождение тока представляет собой сферическая клетка; для приложения тока и регистрации мембранного потенциала служат внутриклеточные электроды (рис. 2.16, А). При включении постоянного тока положительного направления (рис. 2.16, Б) входящие в клетку положительные заряды постепенно разряжают мембранную емкость и та-




Рис. 2.15. Модель Na+-канала в мембране. Компоненты мембраны и ионы изображены в приближенном масштабе. Ионы Na+ проходят через пору; прерывистыми стрелками показано место действия ингибиторовтетродотоксина (ТТХ, блокирует вход в пору) и проназы или иодата (предотвращают инактивацию) (по [9, 14] с изменениями)

ким образом деполяризуют мембрану. Соответственно отводящий электрод регистрирует быструю деполяризацию в начале импульса тока. Однако очень скоро деполяризация замедляется, поскольку при смещении мембранного потенциала от уровня потенциала покоя нарушается равновесие ионных потоков, и во время деполяризации больше ионов К+ покидает клетку. Этот противоположный поток положительных ионов через мембрану удаляет какую-то долю заряда, внесенного электрическим током, и разряд мембранной емкости замедляется. В конце концов деполяризация при постепенном уменьшении ее скорости достигает конечного уровня, при котором ионный ток через мембрану равен электрическому току, приложенному с помощью электрода, и тогда дальнейший разряд мембранной емкости прекращается (рис. 2.16). Сдвиг потенциала, вызываемый импульсом тока, называется электротоническим потенциалом, или электротоном. Конечный уровень, или амплитуда электротонического потенциала, пропорционален сопротивлению мембраны (величине, обратной проводимости мембраны) ионным токам. Скорость нарастания электротонического потенциала в самом начале определяется только емкостью мембраны; в это время протекает только емкостной ток. Когда возникает противоположно направленный поток ионов через мембрану, потенциал начинает экспоненциально меняться с показателем - t/τ, где t - время, а τ - постоянная времени, равная произведению сопротивления и емкости

^ ГЛАВА 2. ПЕРЕДАЧА ИНФОРМАЦИИ ПОСРЕДСТВОМ ВОЗБУЖДЕНИЯ 41



Рис. 2.16. ^ А, Б. Электротонический потенциал в клвтке сферической формы. А. Внутриклеточные злвктроды служат для регистрации мембранного потенциала Ε и пропускания тока I, распределение которого показано красными стрелками. В. Временной ход импульса тока и одновременно регистрируемого злвктротоничвского потенциала в клвткв. Постоянная времени τ электротонического потенциале определяется временем, в твчвние которого потенциал доходит до уровня, достигающего 37% (1/в) его конечной амплитуды

мембраны. В разных клетках τ составляет от 5 до 50 мс.

Такая экспоненциальная кривая, как график электротона (или, например, спад радиоактивности изотопа), описывается выражением εt/τ . τ называется постоянной времени, поскольку при t, равном τ, показатель степени равен — 1. Следовательно, с помощью такой кривой можно определить т, найдя на оси абсцисс время, за которое амплитуда падает до е1 = 1/е = 37% начальной величины.
^
Электротон в клетках вытянутой формы

Почти все нервные и мышечные клетки имеют большую длину по сравнению с их диаметром; так, нервное волокно может быть длиной до 1 м при диаметре всего около 1 мкм. Выходя из такой клетки, пропускаемый через нее ток будет распределяться очень неравномерно, т.е. ситуация будет сильно отличаться от представленной на рис. 2.16. Электротонические потенциалы в имеющем вытянутую форму мышечном волокне в месте пропускания тока (Ео) и на расстоянии 2,5 и 5 мм (Е2,5 и Е5) показаны на рис. 1.20. Эти кривые отличаются по форме от изображенных на рис. 2.16; они не описываются простой экспонентой и зависят от расстояния. Ео в месте пропускания тока нарастает очень быстро, так что через промежуток времени, соответствующий постоянной времени τ, он не превышает 16% от своего конечного уровня (вместо 37% на рис. 2.16). Более крутое нарастание обусловлено неравномерным распределением тока; сначала мембранный конденсатор разряжается в небольшом




Рис. 2.17. Электротонические потенциалы в клетке вытянутой формы. Вверху: инъекция тока 2 в мышечную клетку; злектротонические потенциалы регистрируются на расстояниях 0; 2,5 и 5 мм. В середине: временной ход электротонических потенциалов при этих трех расстояниях; в каждом случае потенциал достигает разного конечного уровня Еmax. . Внизу: зависимость Еmax от расстояния до места инъекции тока. Постоянная длины мембраны λ равна расстоянию, при котором Emax падает до уровня 37% (1/в) амплитуды в месте пропускания тока

участке около источника тока, и только после этого ток начинает проходить внутри клетки, которая имеет значительное продольное сопротивление, к более удаленным участкам мембраны. Здесь мембранный конденсатор должен снова разрядиться, прежде чем начнет протекать ток, так что по мере увеличения расстояния от источника тока временной ход электротонического потенциала постепенно замедляется. На рис. 2.17 электротонический потенциал на расстоянии 5 мм от токового электрода (Е5) возникает с заметной задержкой и даже через 120 мс не достигает своего конечного уровня Еmax [17].

Даже в том случае, если пропускаемый ток идет так долго, что происходит перераспределение заряда, через мембрану около точки введения токового электрода протекает более значительный ток, чем на расстоянии, поскольку в более удаленных точках ток должен преодолеть не только сопротивление мембраны, но также продольное сопротивление внутренней среды клетки. Конечный уровень элект-

^ 42 ЧАСТЬ I. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ КЛЕТКИ

ротонического потенциала Еmax в зависимости от расстояния от токового электрода показан на нижнем графике рис. 2.17. Еmax экспоненциально падает с расстоянием х, причем экспоненциальный показатель равен — x/λ. Величина λ называется постоянной длины мембраны; на рис. 2.17 она равна 2,5 мм, а в других клетках колеблется в пределах от 0,1 до 5 мм. Постоянная длины λ служит мерой расстояния, на которое электротонические потенциалы могут распространяться в клетках вытянутой формы. Например, на расстоянии 4λ амплитуда электротонического потенциала составляет только 2% от его амплитуды у точки пропускания тока; следовательно, электротонические потенциалы в нерве можно зарегистрировать на расстоянии не более нескольких сантиметров от места их возникновения.

Следует еще раз подчеркнуть, что такое рассуждение относительно эффектов пропускаемого тока справедливо лишь для столь малых сдвигов потенциала, которые не изменяют ионную проводимость мембраны, т.е. наличие электротонических потенциалов подразумевает пассивное поведение мембраны. Поэтому при изменении полярности пропускаемого тока возникает электротонический потенциал, который соответствует зеркальному отражению прежнего потенциала.

^ Поляризация мембраны с помощью внеклеточных электродов. Пропускание тока через внутриклеточный электрод, как показано на рис. 2.16 и 2.17, создает простую ситуацию протекания тока, которая помогает понять явление электротона. Однако в медицинских исследованиях и в неврологической практике клетки обычно поляризуют с помощью внеклеточных электродов. Как правило, нервное волокно помещают на два металлических электрода, соединенных с источником напряжения. Протекание тока показано на рис. 2.18. Положительный электрод называется анодом, а отрицательный - катодом. Ток протекает от одного электрода к другому через тонкий слой жидкости, прилегающий к волокну, но поскольку внутренняя среда волокна тоже обладает относительно низким сопротивлением, ток у анода частично входит через мембрану, протекает через клетку к катоду и там вновь выходит через мембрану. Эти трансмембранные токи сопровождаются изменениями мембранного потенциала; у анода положительные заряды, поступающие к наружной поверхности мембраны, увеличивают заряд мембранного конденсатора и, следовательно, увеличивают мембранный потенциал. В результате ионы К+ входят в клетку, перенося ток через мембрану. При этом мембрана у анода гиперполяризуется. Противоположный по направлению сдвиг, деполяризация, происходит у катода. Профиль потенциала вдоль нервного волокна показан на рис. 2.18 внизу. Сдвиг потенциала максимален в участке наи-




Рис. 2.18. Схема внеклеточной аппликации тока. Ток идет от анода к катоду (оба электрода находятся вне нерва), частично через пленку жидкости на поверхности нерва, а частично через оболочку нерва и в продольном направлении внутри волокна. Кривая внизу показывает изменения мембранного потенциала нервного волокна, вызываемые этим током (по [20] с изменениями)

большей плотности тока, непосредственно под электродами.

Обычно ток пропускают через нерв или мышцу с целью вызвать деполяризацию и таким образом стимулировать клетку, тогда как гиперполяризация в области анода нежелательна. В этом случае лучше использовать анод с большой поверхностью или поместить его на расстоянии от нерва, чтобы плотность тока у анода была меньше и гиперполяризация клетки, хотя и на большой площади, имела бы более низкую амплитуду. Электрод с малой поверхностью, у которого концентрируются силовые линии тока и поляризации, называется стимулирующим электродом, а электрод с большой поверхностью, имеющий противоположную полярность, называется индифферентным.
^
Стимул и порог

Когда деполяризующий электротонический потенциал превысит пороговый уровень, возникает возбуждение. Импульс тока, вызывающий сдвиг потенциала, называется стимулом. Поскольку мембрана обладает определенной электрической емкостью, изменение потенциала, производимое импульсом тока, происходит с некоторой задержкой (рис. 2.17). По этой причине потенциал достигает порога обычно через несколько миллисекунд после включения стимула. Чтобы стимул достиг порога, он должен продолжаться достаточно долго; следовательно, импульс тока должен иметь адекватные длительность и амплитуду. До определенного предела высокая амплитуда стимула может компенсировать его небольшую длительность.

^ ГЛАВА 2. ПЕРЕДАЧА ИНФОРМАЦИИ ПОСРЕДСТВОМ ВОЗБУЖДЕНИЯ 43

Околопороговые стимулы. Деполяризация дендритов и тел нервных клеток часто едва достигает порогового уровня, поэтому от очень небольших различий ее интенсивности зависит, перейдет ли информация в форму потенциала действия или нет.

Генерирование потенциала действия при достижении порога происходит потому, что деполяризация вызывает повышение Na+-проводимости, gNa, и возникающий в результате поток Na+ в клетку становится таким большим, что мембрана продолжает деполяризовываться автоматически. Однако поступление Na+, вызываемое деполяризацией, начинается не точно на пороговом уровне потенциала, а на несколько милливольт ниже. Это можно видеть в последовательной серии электротонических потенциалов, которая представлена на рис. 2.19; потенциалы вызываются гиперполяризующими и деполяризующими импульсами тока, которые постепенно увеличиваются. Только два самых маленьких по амплитуде деполяризационных электротонических потенциала являются зеркальным отражением гиперполяризационных потенциалов. Третий и четвертый деполяризационные потенциалы нарастают быстрее и достигают большей амплитуды, чем соответствующие гиперполяризационные потенциалы, а пятый деполяризационный потенциал становится надпороговым. Добавочная (по сравнению с зеркальным отражением гиперполяризационных потенциалов) деполяризация на кривых, близких к пороговому уровню, на рис. 2.19 обозначена розовым цветом; эта деполяризация называется локальным ответом и обусловлена повышением Na+-проводимости в этом диапазоне значений потенциала. Во время таких локальных ответов вход Na+ может существенно превосходить выход К+, однако Na+ток еще не так велик, чтобы деполяризация мембраны стала достаточно быстрой для генерирования потенциала действия-т.е. для преодоления медленной инактивации в околопороговой области потенциалов (см. рис. 2.6, - 60 мВ). Возбуждение развивается не полностью, иными словами, оно остается локальным процессом и не распространяется.

Электрические токи имеют значение для нейрофизиологии не только в связи с их использованием для стимуляции нервов; пропускание токов через кожу можно производить в лечебных целях, и иногда они становятся причиной несчастного случая. Постоянный ток действует как стимул главным образом в момент включения и выключения, хотя сильный стимул может повысить температуру ткани до такой степени, что произойдет ее повреждение, а при высоком напряжении могут возникать искровые разряды, вызывающие образование на коже глубоких ран. Низкочастотный переменный ток (например. 50 Гц) оказывает такое же воздействие, но с несколько меньшей тенденцией к возникновению искровых разрядов. Он тоже стимулирует возбудимые ткани, причем частота стимуляции соответствует частоте синусоидальных колебаний тока; такие стимулы, особенно если они поступают во время относительного рефрактерного периода потенциала действия миокарда (фаза повышенной уязвимости), могут легко




Рис. 2.19. Электротонические потенциалы и локальные ответы. Гиперполяризующие стимулы тока (длительностью 4 мс) с относительной амплитудой 1, 2, 3, 4 и 5 вызывают пропорциональные по амплитуде электротонические потенциалы. При деполяризующих токах с амплитудой 1 и 2 возникающие потенциалы являются зеркальным отражением потенциалов при соответствующих гиперполяризующих токах. При деполяризующих импульсах с амплитудой 3 и 4 электротонические потенциалы превышают те потенциалы, которые возникают при деполяризации менее — 70 мВ (область превышения под кривыми выделена розовым цветом). Ток с амплитудой 5 производит деполяризацию, которая достигает порога и вызывает потенциал действия

вызвать летальную фибрилляцию сердца. По этой причине низкочастотный переменный ток особенно опасен. Высокочастотный переменный ток (> 10 кГц) в течение половины своего цикла не может деполяризовать мембрану до порога, а следующая половина цикла уже снимает деполяризацию, так что эти токи не могут действовать как стимулы, а только вызывают нагревание ткани. Поэтому токи с частотой от 0,5 до 1 МГц можно применять в лечебных целях; такая диатермия используется для регулируемого местного прогревания ткани.
^

2.5. Распространение потенциала действия


Роль мембран нервного и мышечного волокна состоит в распространении информации (или регулирующих сигналов), т.е. в проведении возбуждения. Чтобы понять механизм проведения возбуждения, следует проблемы физиологии возбуждения, изложенные в разд. 2.2, рассмотреть в свете законов продольного распространения токов и потенциалов (разд. 2.3). Начнем с описания процесса распространения возбуждения в нерве.

44 ЧАСТЬ I. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ КЛЕТКИ
^
Измерение скорости проведения

При возбуждении нерва (например, импульсом электрического тока) можно с помощью внеклеточных электродов зарегистрировать потенциалы действия (рис. 2.20). Такие потенциалы действия появляются не только в месте раздражения, но и на значительных расстояниях от него-например, на расстоянии примерно 1 м. На всем протяжении нерва потенциалы имеют одинаковую амплитуду, но появляются с задержкой, которая пропорциональна расстоянию от места нанесения стимула. В двигательном нерве, например, потенциал действия поступает в участок, удаленный на 1 м от места раздражения, через 10 мс; отсюда следует, что он проводится по нерву со скоростью 100 м-с1.

На рис. 2.20 показана схема отведения с помощью внеклеточных электродов. Два электрода контактируют с нервным волокном, участок которого освобожден от окружающей ткани и помещен в электрически изолирующую среду, например в минеральное масло или воздух. При распространении волны возбуждения вдоль волокна справа налево она достигает электрода 1; поверхность волокна под этим электродом теряет свой положительный заряд и становится более отрицательной по отношению к участку под электродом 2, так что измерительный прибор показывает положительный сдвиг потенциала, временной ход которого примерно соответствует внутриклеточному потенциалу действия. Когда возбуждение достигнет электрода 2, прибор зарегистрирует сдвиг потенциала противоположной полярности, т.е. отрицательный потенциал действия. Поскольку общее колебание потенциала, регистрируемое двумя электродами, имеет положительный и отрицательный компоненты, его называют двухфазным потенциалом действия. Зная время между положительным и отрицательным пиками и расстояние между регистрирующими электродами, можно вычислить скорость проведения. Обычно две фазы потенциала действия не бывают разделены так четко, как на рис. 2.20. При скорости проведения, равной 100 м с1, и длительности потенциала действия 1 мс, например, потенциал действия захватывает участок нервного волокна длиной 100 м (100 м-с1 х 1 мс), так что для полного разделения фаз двухфазного потенциала действия потребовалось бы выделить участок нерва длиной 20 см. Как правило, это невозможно, поэтому две фазы двухфазного потенциала действия обычно накладываются друг на друга.

С помощью внеклеточных электродов можно также осуществить монофазное отведение. Если нерв повредить или деполяризовать раствором с повышенной концентрацией К+, чтобы предотвратить проведение потенциала действия от электрода 1 до электрода 2 (рис. 2.20), то регистрируется только




Рис. 2.20. Регистрация потенциала действия внеклеточными электродами. Проведение потенциала происходит справа налево (вверху) и область возбуждения доходит до злвктрода 1; регистрируемый потенциал показан сплошной красной линией (посередине). Когда потенциал действия достигает электрода 2, регистрируется изменение потенциала, показанное прерывистой красной линией. Каждое отклонение этой красной линии представляет собой монофазный потенциал действия. Два отклонения вместе составляют двухфазный потенциал действия, изображенный внизу как функция времени

колебание потенциала, показанное красной линией - монофазный потенциал действия. Чисто монофазные потенциалы, хотя и очень низкой амплитуды, можно также зарегистрировать с помощью одиночного микроэлектрода, который помещают около возбужденного нерва или нервной клетки; в этом случае индифферентный электрод должен быть удален от возбужденного участка и помещен в окружающей жидкости или в тканях животного. При таком «монополярном отведении» измеряется разность потенциалов между окружающим внеклеточным раствором и «землей», создаваемая местными токами в нервном волокне. Поэтому временной ход регистрируемых сдвигов потенциала соответствует динамике мембранного тока во время возбуждения (рис. 2.22). Для монополярного внеклеточного отведения необязательна изоляция возбужденной структуры, так что метод особенно полезен при изучении физиологии ЦНС.
^
Составной потенциал действия в смешанном нерве.

Нерв нижней конечности, например, содержит волокна, широко различающиеся по функциям, диаметру и скорости проведения. Если электрод распо-

^ ГЛАВА 2. ПЕРЕДАЧА ИНФОРМАЦИИ ПОСРЕДСТВОМ ВОЗБУЖДЕНИЯ 45

ложен так, что контактирует с целым нервом, то при стимуляции нерва на некотором расстоянии от места отведения электрод сначала зарегистрирует потенциалы действия наиболее быстро проводящих волокон, а после этого - группы потенциалов других, более медленно проводящих волокон. Следовательно, потенциал действия такого нерва состоит из ответов целого спектра групп волокон с разными скоростями проведения (рис. 2.21). Индивидуальные зубцы такого составного потенциала действия принадлежат определенным группам волокон, которые вместе с их функциями перечислены в табл. 2.1, а. Эта классификация, предложенная Эрлангером и Гассером [11], включает как двигательные, так и сенсорные волокна. Широко применяется также классификация Ллойда-Ханта [22] для сенсорных нервов, которая представлена в табл. 2.1,6.
^
Механизм проведения

Для составного потенциала действия характерно полное возбуждение каждой точки нервного волокна, так что амплитуда потенциала действия везде одна и та же. Протекающие по принципу «все или ничего» процессы возбуждения в отдельных участках мембраны сопряжены друг с другом посредством электротонического распространения раздражающих токов вдоль волокна. Ионы Na+, входящие в волокно в возбужденном участке мембраны, служат источником тока для возникновения электротонического деполяризационного потенциала в соседнем, еще не возбужденном участке. Когда эта деполяризация достигает порога, она вызывает в этом участ-




Рис. 2.21. Составной потенциал действия подкожного нерва млекопитающего, зарегистрированный с помощью внеклеточного электрода. Все волокна нерва одновременно подвергаются стимуляции на некотором расстоянии от участка отведения. До участка отведения в первую очередь доходят потенциалы действия наиболее быстро проводящих волокон группы А; потенциалы действия медленных волокон группы С появляются примерно через 38 мс. Вслед за колебанием потенциала, соответствующим волокнам группы С, возникает продолжительный гиперполяризующий следовой потенциал. Отдельные зубцы волны, соответствующей А-волокнам, отражают активность волокон подгрупп α, β, γ и δ (по [29])

ке возбуждение. Таким образом, состояние возбуждения распространяется посредством электротонической связи от возбужденных участков мембраны к еще не возбужденным.





Таблица 2.1,

а. Классификация нврвных волокон по Эрлангеру-Гассвру







Тип волокна

Функции (выборочно)

Средний диаметр.

Средняя скорость







мкм

проведения, м-с1



Первичные афференты мышечных веретен, двигательные во-










локна скелетных мышц

15

100 (70 120)



Кожные афференты прикосновения и давления

8

50 (30-70)



Двигательные волокна мышечных веретен

5

20 (15-30)

Αδ

Кожные афференты температуры и боли

<3

15 (12-30)

В

Симпатические преганглионарные волокна

3

7 (3-15)

С

Кожные афференты боли

1

1(0,5-2)




Симпатические постганглионарные волокна

(немиелинизированные)






Таблица

2.1,6. Классификация нврвных волокон по Ллойду-Ханту







Группа

Функции (выборочно)

Средний диаметр, мкм

Средняя скорость проведения, м-с~'

I

Первичные афференты мышечных веретен и афференты от сухожильных органов

13

75 (70-120)

II

Кожные механорецепторы

9

55 (25-70)

III

Мышечные афференты глубокого давления

3

11 (10-25)

IV

Немиелинизированные афференты боли

1

1

^ 46 ЧАСТЬ I. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ КЛЫКИ

Отметим принципиальное различие между проведением потенциала действия и передачей колебаний напряжения по телеграфным проводам. По проводам ток течет от одного полюса источника напряжения к другому. Амплитуда колебания напряжения падает с расстоянием. С позиций электрофизиологии такое проведение является чисто электротоническим процессом. Во время проведения потенциала действия полюсы источника напряжения в каждом участке мембраны находятся внутри и снаружи волокна и ток представляет собой чисто мембранный ток, который протекает перпендикулярно направлению распространения потенциала действия.

^ Мембранные токи во время распространяющегося потенциала действия. На рис. 2.22 представлен «моментальный снимок» потенциала и тока вдоль нервного волокна во время проведения потенциала действия справа налево. Длина участка волокна, занятого потенциалом действия, зависит от скорости проведения; при скорости 100 м-с1 и длительности потенциала действия 1 мс длина оси абсцисс на рис. 2.22 будет соответствовать 10 см. Участок волокна между линиями А и В полностью возбужден; вход Na + , вызванный резким повышением gNa, быстро разряжает емкость мембраны, и после пика повышенная gK и возникающий в результате выход К+ ведут к реполяризации. Между линиями А и В мембранный ток im обусловлен преимущественно входом положительных зарядов; избыток положительных зарядов уходит, как показано в верхней части рис. 2.22, по обе стороны через внутреннюю среду волокна. Этот избыточный ток характерен для распространяющегося потенциала действия. В случае нераспространяющегося потенциала действия в изолированном участке мембраны входящий ток в момент пика потенциала действия отсутствует, поскольку вход Na+ равен выходу К +. В момент пика распространяющегося потенциала дейсгвия общий входящий поток ионов все еще составляет около 80% от максимального; этот ток необходим для процесса электротонического распространения вдоль волокна.

Область потенциала действия, критически важная для его распространения, находится слева от линии А на рис. 2.22. В этом участке мембраны ток im выходит из волокна и электротонически деполяризует мембрану. Источником тока для электротонической деполяризации служит возбужденный участок мембраны около линии Б. Электротоническая деполяризация в начале потенциала действия достигает пороговой области около линии А; при этом gNa возрастает, усиливается вход Na+ в клетку и возникает возбуждение. Начальная фаза потенциала действия представляет собой электротонический процесс, и скорость проведения потенциала зависит, следовательно, от постоянных времени и длины, τ и λ, которые характеризуют распространение электротонических потенциалов.

В конце потенциала действия (справа от линии В на рис. 2.22) существует также выходящий ток im.




Рис. 2.22. Проведение потенциала действия. Черными линиями показан временной ход потенциала действия и проводимостей мембраны gNa и gK. Красной линией показан мембранный ток im. Силовые линии распространения тока в волокне и вокруг него схематически изображены вверху. Вертикальными прерывистыми линиями отмечены моменты, соответствующие максимальной скорости нарастания потенциала действия (А), пика (Б) и максимальной скорости реполяризации (В) (по [27])

который стремится деполяризовать мембрану. В случае распространяющегося потенциала действия эта деполяризация предотвращается высоким значением gK в этом участке мембраны. Однако если gK относительно низка и добавляются эффекты других деполяризующих влияний, то электротонические мембранные токи в конце потенциала действия могут вызвать новое, так называемое ритмическое возбуждение (см. рис. 2.24).

Именно мембранный ток im создает возможность регистрации потенциалов действия с помощью внеклеточных электродов, поскольку такие электроды измеряют плотность тока во внеклеточном растворе. Внеклеточные микроэлектроды отводят от нервных клеток и волокон в ЦНС трехфазные «спайки», амплитуда которых пропорциональна мембранному току im на рис. 2.22. В свою очередь ток im во время распространяющегося потенциала действия пропорционален второй производной внутриклеточного потенциала от времени [16].

Факторы, определяющие скорость проведения.

Скорость проведения по нервному волокну можно определить путем сложных расчетов, зная зависи-

^ ГЛАВА 2. ПЕРЕДАЧА ИНФОРМАЦИИ ПОСРЕДСТВОМ ВОЗБУЖДЕНИЯ 47

мость ионных токов от потенциала и времени, а также условия, определяющие электротоническое распространение,- диаметр волокна, сопротивление и емкость мембраны. Результаты такого расчета близки к экспериментальным данным [16], что подтверждает справедливость ионной теории возбуждения и электротона. Здесь мы обсудим только качественные факторы, влияющие на скорость проведения.

Одним из таких факторов служит амплитуда входящего Να+-тока. поскольку чем больше ток после перезаряда мембраны при возбуждении, тем больше ток, который потечет через соседние, еще не возбужденные участки, и деполяризация этих участков произойдет быстрее. Входящий Na+-ток можно уменьшить путем снижения концентрации Na+ в растворе и путем усиленной инактивации Na+-системы, которая развивается при снижении потенциала покоя или воздействии местных анестетиков (с. 40). При всех этих условиях скорость проведения потенциала действия снижается и в конечном счете проведение блокируется.

Электротоническое распространение мембранных токов также является очень важным для скорости проведения. Поскольку сопротивление и емкость элементарного участка мембраны практически одинаковы во всех возбудимых клетках, электротоническое распространение определяется главным образом диаметром волокна. Поверхность мембраны нервного волокна пропорциональна его диаметру, а площадь поперечного сечения волокна возрастает пропорционально квадрату диаметра. Поэтому при увеличении диаметра волокна продольное сопротивление его внутренней среды, определяемое площадью поперечного сечения, снижается относительно сопротивления мембраны. В результате электротонические токи распространяются на большее расстояние (увеличивается постоянная длины λ) и возрастает скорость проведения. Хотя с увеличением диаметра волокна емкость мембраны тоже возрастает пропорционально площади мембраны (что ведет к уменьшению скорости проведения), преобладает эффект снижения продольного сопротивления. В конечном итоге скорость проведения возрастает пропорционально корню квадратному из диаметра волокна. Это соотношение отражено и в табл. 2.1.

^ Проведение в миелинизированных аксонах. Благодаря особенностям своей структуры миелинизированные нервные волокна проводят потенциалы действия чрезвычайно быстро. Только очень короткие участки этих волокон, перехваты Ранвье, покрыты обычной клеточной мембраной. Участки между перехватами имеют многослойную миелиновую оболочку, которая значительно увеличивает сопротивление мембраны. Поэтому при сдвиге мембранного потенциала ток, по существу, не проходит





Рис. 2.23. Сальтаторное проведение. Справа: временной ход мембранного потенциала при регистрации в отмеченных стрелками точках вдоль миелинизированного аксона. Р1, Р2 , Р3 ... перехваты Ранвье. Распространение потенциала действия (см. сверху вниз) задерживается только в перехватах Ранвье (по [18])

через мембрану межперехватных участков, и потенциал действия от одного перехвата Ранвье к соседним перехватам распространяется через межперехватные участки электротонически и почти без декремента. Время проведения через межперехватные участки практически равно нулю возбуждение перескакивает от одного перехвата к следующему. Такое сальтаторное проведение без потери времени на межперехватных участках иллюстрирует рис. 2.23. Задержка проведения происходит только в перехватах, где электротонический потенциал должен достичь порога и вызвать возбуждение. Мембрана перехвата специализирована для генерации возбуждения: плотность Na +-каналов здесь примерно в 100 раз выше, чем в немиелинизированных нервных волокнах. Высокая скорость проведения в миелинизированных участках обеспечивает возможность существования у позвоночных большого количества параллельных быстропроводящих нервных путей. В таких нервах все волокна со скоростью проведения выше 3 м с1 являются миелинизированными; только очень медленные С-волокна (группа IV) немиелинизированы. Скорость проведения у беспозвоночных также может быть высокой - до 10 м-с1, но за счет развития немиелинизированных «гигантских аксонов» диаметром почти 1 мм.

48 ЧАСТЬ I. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ КЛЕТКИ
^

2.6. Генерирование импульсных разрядов при длительной деполяризации


Проведение по нерву происходит только в виде потенциалов действия; следовательно, вся информация, передаваемая по нервным волокнам на большие расстояния, должна быть представлена в «закодированной» форме, а именно частотой разряда потенциалов действия. В рецепторных мембранах, получающих сенсорные стимулы, развиваются медленные длительные изменения потенциала (рецепторные потенциалы, см. с. 181); синаптические потенциалы нервных клеток тоже суммируются (с. 58), вызывая медленные изменения мембранного потенциала. Чтобы по нервам передавалась информация, которая содержится в этих медленных сдвигах потенциала, они должны быть закодированы, т. е. преобразованы в разряды нервных импульсов определенной частоты.

^ Генерирование ритмических импульсов. На рис. 2.24 показано, как нервная клетка отвечает на раздражение током силой 1 и 4 нА. Включение слабого тока (1 нА) вызывает медленную электротоническую деполяризацию, которая нарастает, пока не достигнет плато (прерывистая линия). Однако еще до выхода на этот конечный уровень деполяризация достигает порога и инициирует потенциал действия. При реполяризации мембранный потенциал переходит за уровень покоя, образуя фазу гиперполяризации, а затем возобновляется медленная деполяризация; примерно через 0,5 с потенциал вновь достигает порога и возникает еще один потенциал действия. Этот цикл может повторяться до тех пор, пока протекает деполяризующий ток; стойкая деполяризация преобразуется в ритмический разряд потенциалов действия с частотой примерно 2 Гц. При более сильном токе, примерно 4 нА, происходят в принципе такие же процессы, как и при 1 нА, но скорость нарастания и амплитуда стационарной деполяризации (прерывистая линия) увеличиваются, и, следовательно, повышается частота потенциалов действия, которая составляет сначала 7 Гц, затем снижается до 4 Гц. Такое медленное падение частоты во время постоянного стимула является типичным и называется «адаптацией» (см. с. 183). Конечный эффект в обоих случаях состоит в том, что амплитуда стимулирующего тока (или стойкой деполяризации) кодируется в виде соответствующей частоты потенциалов действия.

^ Механизм генерирования импульсных разрядов.

Почти все возбудимые клетки генерируют разряды потенциалов действия в ответ на стойкую деполяризацию определенной величины. Частота их определяется скоростью нарастания деполяризации, начинающейся сразу после того, как будет достигнута




Рис. 2.24. Ритмический разряд импульсов, вызываемый длительным пропусканием стимулирующего тока. Вверху: пропускаемый через нейрон ток 1 нА вызывает злектротонический деполяризующий потенциал, который достигает стационарного уровня около 20 м В (прерывистая линия), если не превысит порога генерации потенциала действия. Ритмическое воспроизведение потенциалов действия продолжается в течение всего периода пропускания стимулирующего тока. Внизу, стимулирующий ток болве высокой амплитуды вызывает электротонический потенциал, который достигает уровня почти 0 мВ (прерывистая линия), если только не произойдет запуск высокочастотной серии потенциалов действия

максимальная реполяризация мембраны после потенциала действия. Быстрая реполяризация обеспечивается нарастанием К+-тока, который начинается с некоторой задержкой при деполяризации (см. рис. 2.7 и 2.12). Когда после реполяризации мембраны этот ток прекращается (тоже с задержкой), мембранный потенциал под влиянием пропускаемого тока (рис. 2.24) вновь смещается к уровню деполяризации (прерывистая линия), при котором происходит генерирование потенциала действия. Однако такой задержанный К+-ток (IКЗ) помогает генерированию ритмических потенциалов действия только в ограниченном диапазоне деполяризаций, и частота возникающих потенциалов действия может изменяться лишь в небольших пределах. Те области мембраны клетки, которые должны эффективно осуществлять кодирование деполяризации в ритмические потенциалы действия, обычно содержат К+-каналы другого типа, проводящие быстроинактивирующиеся токи ΙKA· На рис. 2.25 изображен временной ход обоих компонентов К+-тока. IКЗ регистрируется с задержкой после фаз де- и реполяризации. IКА отличается тем, что после его возникновения в результате деполяризации он вновь быстро инактивируется, подобно Na+-току. IКА не может снова активироваться до тех пор, пока не произойдет кратковременная гиперполяризация ме-

^ ГЛАВА 2. ПЕРЕДАЧА ИНФОРМАЦИИ ПОСРЕДСТВОМ ВОЗБУЖДЕНИЯ 49



Рис. 2.25. Участие компонентов калиевого тока в генерировании ритмического импульсного разряда. Вверху. потенциал действия, запускаемый током 1 нА (так же, как на рис. 2.24). Внизу: компоненты тока, вызываемого деполяризацией,-входящий натриевый ток /Na, задержанный неинактивирующийся выходящий калиевый ток /KD и быстроинактивирующийся калиевый ток /КА (по [10] с изменениями)

мбраны; он начинается во время быстрого спада IКЗ после максимальной реполяризации; в это время IKA предотвращает слишком быструю деполяризацию и таким образом снижает частоту импульсного разряда [10]. Этот механизм расширяет диапазон, в пределах которого частота потенциалов действия может изменяться в зависимости от уровня стационарной деполяризации.

Во время продолжающегося стимула нередко наблюдается снижение ритма высокочастотных разрядов потенциалов действия и их полное прекращение с возобновлением через некоторое время. В результате разряды приобретают форму отдельных вспышек. Такие вспышки образуются при участии еще одного типа К+-каналов-так называемых Ca+-активируемых К +-каналов. Во время потенциала действия в клетку поступает Са2+ (с. 37), несколько увеличивая внутриклеточную концентрацию Са2+, [Са2 + ];. Повышение [Са2 + ]; активирует К+-каналы определенного типа, вызывая устойчивое увеличение входа К+. Благодаря этому усиливается реполяризация, что приводит в конечном итоге к прекращению разряда импульсов. Затем [Ca2+]i возвращается к норме с помощью различных транспортных процессов (с. 17) и разряд начинается снова.

Сочетание деятельности разных типов К+-каналов в данном случае служит примером того, как многообразие ионных каналов обеспечивает специфические функции определенных типов клеток и об-

ластей клеточных мембран. Наличие различных типов Ca2+-каналов тоже создает возможности разнообразных форм возбуждения.

2.7. Литература


Учебники и руководства

  1. Alberts В., Bray D.. Lewis J.. Raff Μ., Roberts К., Watson J. D. Molecular biology of the cell. New York and London, Garland Publishing Inc., 1983.

  2. Cooke I., Lipkin M. Cellular Neurophysiology, a source book. New York, Holt, Rinehart and Winston, 1972 (collection of important original papers).

  3. Hille B. Ionic channels of excitable membranes. Sunderland, Mass., Sinauer Assoc, 1984.

  4. Hoppe W., Lohmann W.. Mark! H, Ziegler H. (eds.). Biophysik. Berlin, Heiderlberg, New York, Springer, 1984.

  5. Kandel E. R., Schwartz J. H. (eds.). Principles of neural science. New York, Amsterdam, Oxford, Elsevier, 1985.

  6. Kuffler S. W., Nicholls J.G., Martin A.R. From neuron to brain, Second Edition Sunderland, Mass., Sinauer Associates, 1984.

Оригинальные статьи и обзоры

  1. Adrian R. Η. The effect of internal and external potassium concentration on the membrane potential of frog muscle. J. Physiol. (Lond.), 133, 631 (1956).

  2. Aldrich R. W. Voltage dependent gating of sodium channels: towards an integrating approach. Trends Neurosci., 9, 82-86 (1986).

  3. Armstrong CM. Sodium channels and gating currents. Physiol. Rev., 61, 644-683 (1981).




  1. Connor J. Α., Stevens С F. Inward and delayed outward membrane currents in isolated neural somata under voltage clamp. J. Physiol. (Lond.), 213, 1-19 (1971).

  2. Gasser H. S.. Grundfest Η. Αχοη diameters in relation to the spike dimension and the conduction velocity in mammalian Α-fibers. Amer. J. Physiol., 127, 393 (1939).

  3. HamillO.P., Marty Α., N eher Ε., Sakmann В., Sigworth F. J. Improved patch clamp techniques for high resolution current recording from cells and cell-free membrane patches. Pflügers Arch., 391, 85-100 (1981).

  4. Heinemann U., Lux D. [onic changes during experimentally induced epilepsies. In: Progress in Epilepsy, R. С Rose, Ed., London, Pitnam Medical, p. 87-102 (1983).

  5. Hille B. Ionic channels in exitable membranes. Biophys. J., 22, 283-294 (1978).

  6. Hodgkin A.L., Huxley A.F. The dual effect of membrane potential on sodium conductance in the giant axon of Loligo. J. Physiol. (Lond.), 116, 497 (1952).

  7. Hodgkin A.L., Huxley A.F. Quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve. J. Physiol. (Lond.), 117, 500 (1952).

  8. Hodgkin A.L., Rushton W.A.H. The electrical constants of crustacean nerve fibre. Proc. roy. Soc. B, 133, 444 (1946).

  9. Huxley A. F., Stämpfli R. Evidence for saltatory conduction in peripheral myelinated nerve fibres. J. Physiol. (Lond.), 108, 315 (1949).

  10. Kameyama M., Hofmann F., Trautwein W. On the mechanism of β-adrenergic regulation of the Ca channel in the guineapig heart. Pflügers Arch., 405, 285-293 (1985).

  11. Katz B. Electrical properties of the muscle fibre membrane. Proc. roy. Soc. В., 135, 506 (1948).

  12. Läuger P. Ionic channels with conformational substates. Biophys. J., 47, 581-590 (1985).

  13. Lloyd D. P. C, Chang H. T. Afferent fibres in muscle nerves. Ϊ. Neurophysiol., 11, 199 (1948).

  14. Meves H. Inactivation of the sodium permeability in squid

^ 50 ЧАСТЬ I. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ КЛЕТКИ

giant nerve fibres. Prog. Biophys. Mol. Biol., 33, 207-230 (1978).

  1. Neher £.. Sakmann В., Steinbach J. Η. The extracellular patch clamp: A method of resolving currents through individual open channels in biological membranes. Pflügers Arch., 375, 219 228 (1978).

  2. Neumcke В.. Schwarz W.. Sfampfli R. Block of Na channels in the membrane of myelinated nerve by benzocaine. Pfiügers Arch., 390, 230-236 (1981).

  3. Neumcke В.. Stämpfli Я Heterogeneity of external surface charges near sodium channels in the nodal membrane of frog nerve. Pflügers Arch., 401, 125 131 (1984).

  4. Noble D. Applications of Hodgkin Huxley equations to excitable tissues. Physiol. Rev., 46, 1 (1966).

  5. Rang H. P.. Ritchie J. M. Electrogenic sodium pump in mammalian non-myelinated nerve fibres and its activation by various external cations. J. Physiol. (Lond.l 196, 183 (1968).

  6. Ruch Т. С. Patton Η. D. Physiology and Biophysics. Philadelphia, Saunders, 1966.




  1. Schwarz W., Pallade P. Т.. Hille B. Local anesthetics: Effect of pH on use-dependent block of sodium channels in frog muscle. Biophys. J., 20, 343-368 (1977).

  2. Sigworth F.L., Neher E. Single Na+ channel currents observed in cultured red muscle cells. Nature (Lond.), 287, 447-449 (1980).

  3. Trautwein W., Pelzer D. Voltage dependent gating of single calcium channels in cardiac cell membranes and its modulations by drugs. In: Calcium physiology, D. Marme, Editor. Berlin, Heidelberg, New York, Toronto, Springer (in press), 1986.

  4. Ulbricht W. Kinetics of drug action and equilibrium results at the node of Ranvier. Physiol. Rev., 61, 785-828 (1981).

  5. White M. W.. Bezanilla B. Activation of squid axon К+ channel. Ionic and gating current studies. J. Gen. Physiol., 85, 539 554 (1985).

  6. Quandt F. N.. Yeh J.Z., Narahashi T. All or none block of single Na+ channels by tetrodotoxin. Neurocsi. Lett., 54, 77-83 (1985).
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   36

Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка:

Похожие:

Перевод с английского канд мед наук Н. Н. Алипова, канд биол наук Н. Ю. Алексеенко, д-ра биол наук М. А. Каменской, канд биол наук О. В. Левашова, канд биол наук Ю. Б. Шмуклера под редакцией акад. П. Г. Костюка iconОбщеобразовательная программа дошкольного образования Авторский коллектив
Н., канд пед наук, Дякина А. А., доктор филол наук, Евтушенко И. Н., канд пед наук, Каменская В....
Перевод с английского канд мед наук Н. Н. Алипова, канд биол наук Н. Ю. Алексеенко, д-ра биол наук М. А. Каменской, канд биол наук О. В. Левашова, канд биол наук Ю. Б. Шмуклера под редакцией акад. П. Г. Костюка iconИ иммунотерапия инфекционных заболеваний
Авторы: канд мед наук, доц. Т. А. Канашкова; канд мед наук, доц. Ж. Г. Шабан; канд мед наук, доц....
Перевод с английского канд мед наук Н. Н. Алипова, канд биол наук Н. Ю. Алексеенко, д-ра биол наук М. А. Каменской, канд биол наук О. В. Левашова, канд биол наук Ю. Б. Шмуклера под редакцией акад. П. Г. Костюка iconБвк 56. 8 А 92
Ц, канд мед наук Н. С. Дмитриев, проф С. Н. Лапченко, проф. В. Т. Пальчун, проф. О. К. Патякина,...
Перевод с английского канд мед наук Н. Н. Алипова, канд биол наук Н. Ю. Алексеенко, д-ра биол наук М. А. Каменской, канд биол наук О. В. Левашова, канд биол наук Ю. Б. Шмуклера под редакцией акад. П. Г. Костюка iconФлюороз зубов
Авторы: асс. Н. П. Руденкова; канд мед наук О. А. Козел; канд мед наук Н. И. Дмитриева; канд мед...
Перевод с английского канд мед наук Н. Н. Алипова, канд биол наук Н. Ю. Алексеенко, д-ра биол наук М. А. Каменской, канд биол наук О. В. Левашова, канд биол наук Ю. Б. Шмуклера под редакцией акад. П. Г. Костюка iconКафедра стоматологии детского возраста
Авторы: д-р мед наук, профессор Т. Н. Терехова, канд мед наук, доцент А. Н. Кушнер, канд мед наук,...
Перевод с английского канд мед наук Н. Н. Алипова, канд биол наук Н. Ю. Алексеенко, д-ра биол наук М. А. Каменской, канд биол наук О. В. Левашова, канд биол наук Ю. Б. Шмуклера под редакцией акад. П. Г. Костюка iconУчебно- методическое пособие утверждено на цикловой методической комиссии стоматологического факультета
В. Ф. Михальченко, доктор мед наук, доцент Э. С. Темкин, канд мед наук, ассистент Н. М. Морозова,...
Перевод с английского канд мед наук Н. Н. Алипова, канд биол наук Н. Ю. Алексеенко, д-ра биол наук М. А. Каменской, канд биол наук О. В. Левашова, канд биол наук Ю. Б. Шмуклера под редакцией акад. П. Г. Костюка iconМетодические рекомендации Минск 2003 Удк 613. 6(075. 8)
А в т о р ы: канд мед наук, доц. В. И. Дорошевич; полк мед служ. Ю. Ю. Варашкевич; канд мед наук...
Перевод с английского канд мед наук Н. Н. Алипова, канд биол наук Н. Ю. Алексеенко, д-ра биол наук М. А. Каменской, канд биол наук О. В. Левашова, канд биол наук Ю. Б. Шмуклера под редакцией акад. П. Г. Костюка iconМ. А. Тучинская*, канд мед наук; Салех С. Х. Нажар*; О. И. Шушляпин*, канд мед наук; Л. Л. Мищенко*;
Патофизиологическая природа и патогенетическая коррекция реперфузионного синдрома c реперфузионным...
Перевод с английского канд мед наук Н. Н. Алипова, канд биол наук Н. Ю. Алексеенко, д-ра биол наук М. А. Каменской, канд биол наук О. В. Левашова, канд биол наук Ю. Б. Шмуклера под редакцией акад. П. Г. Костюка iconМэгид С. Михаил Перевод с английского под редакцией академика pamh а. А. Бунятяна, Издательство бином

Перевод с английского канд мед наук Н. Н. Алипова, канд биол наук Н. Ю. Алексеенко, д-ра биол наук М. А. Каменской, канд биол наук О. В. Левашова, канд биол наук Ю. Б. Шмуклера под редакцией акад. П. Г. Костюка iconМетодические рекомендации Минск 2004 удк
Р е ц е н з е н ты, доцент кафедры микробиологии, вирусологии и иммунологии, : канд мед наук Н. Ф....
Разместите кнопку на своём сайте:
Медицина


База данных защищена авторским правом ©MedZnate 2000-2019
обратиться к администрации | правообладателям | пользователям
Документы