Мембранные потенциалы

Мембранный потенциал

Строение. Мембраны состоят из белков, углеводов и липидов. Углеводные компоненты, связанные с молекулами белков и липидов, образуют соответственно гликопротеины и гликолипиды. Структурная основа мембраны – бимолекулярный слой фосфолипидов. Молекулы фосфолипидов амфифильны, то есть одна часть молекулы полярна и несет заряженную группу, и поэтому обладает гидрофильностью, а другая неполярна, обладает гидрофобностью. Липидные бислои стремятся замкнуться сами на себя, чтобы спрятать гидрофобные участки от воды. В результате образуются фосфолипидные везикулы – липосомы. Таким образом, образование липидных мембран –это самопроизвольный процесс. В составе липидов мембраны много холестерина, регулирующего подвижность компонентов бислоя. Белки, входящие в состав мембраны, лишь вкраплены в бислой. По степени гидрофобности различают собственные (интегральные) белки. Они связаны с липидами бислоя прочными гидрофобными взаимодействиями и могут проникать глубоко в липидный бислой или даже пронизывать его насквозь, образуя каналы для транспорта ионов. Переферические белки или полуинтегральные, удерживаются на поверхности бислоязасчет электростатических взаимодействий на уровне полярных головок молекул фосфолипидов.

Функции.

· Барьерная функция: разделение внутреннего объема клетки на отдельные отсеки – компоненты.

· Рецепторная функция: воспринимают гормоны и другие регуляторные молекулы, контролирует взаимодействие клеток со средой и друг с другом, осуществляют транспорт веществ.

· Транспортная функция: осуществляется специализированными структурами, такими как ионные каналы, белки ферменты, транспортная АТФ-азы, благодаря которым обеспечивается избирательная проницаемость мембраны для определенного вида ионов в состоянии покоя и при возбуждении.

Транспорт.

Одной из функций мембраны является транспорт веществ. Жирорастворимые вещества транспортируются, растворяясь в фосфолипидах мембраны. Водорастворимые вещества перемещаются с помощью белков. Если транспорт веществ осуществляется с затратой энергии АТФ, то он называется активным, а если без затраты АТФ — то пассивным. Транспорт одного вещества в одном направлении через каналы или непосредственно через фосфолипиды мембраны называется простой диффузией (унипорт). Транспорт веществ с участием белков-переносчиков называется облегченной диффузией. Транспорт двух веществ в противоположном направлении с помощью белков-переносчиков называется антипорт, в одном направлении — симпорт. Таким образом, транспорт водорастворимых веществ осуществляется либо с помощью белков-переносчиков, либо через каналы.

Ионные каналы.

Каналы мембраны обладают способностью пропускать исключительно ионы и (или) воду. Ионные каналы представлены интегральными белками (гликопротеинами), пронизывающими липидный бислой мембраны. Систематизация и классификация каналов достаточно трудна. В настоящее время существует несколько классификаций каналов, которые в разных соотношениях учитывают свойства каналов, а именно селективность, способ открытия, скорость активации и инактивации, наличие и расположение рецепторов и регуляторных участков, чувствительность к химическим веществам (блокаторам, т. е. антагонистам, и активаторам, т. е. агонистам). Условно каналы делят на неспецифические (неселективные) и специфические (селективные). Существуют неспецифические каналы для ионов калия, натрия и кальция. Специфические каналы пропускают один вид ионов.

Мембранные потенциалы

Все клеточные мембраны поляризованы, т. е. регистрируется разность потенциалов между наружной и внутренней стороной мембраны. Эта разность потенциалов получила название мембранный потенциал (МП), а в возбудимых тканях — мембранный потенциал покоя (МПП). Величина МПП возбудимых клеток составляет от -50 мВ до -90 мВ.

Механизм формирования МПП объясняет мембранно-ионная теория. Мембрана клеток возбудимых систем характеризуется наличием градиента катионов и анионов. Внутреннее содержимое клетки представлено преимущественно катионами калия и анионами органических кислот. Снаружи клетки находятся катионы натрия и анионы хлора. В состоянии покоя клеточная мембрана хорошо проницаема для ионов калия (в скелетных мышечных волокнах и для ионов хлора), менее проницаема для ионов натрия и практически непроницаема для анионов органических кислот. Ионы калия по градиенту концентрации путем простой диффузии диффундируют из клетки через калиевые каналы утечки, заряжая наружную поверхность мембраны электроположительно. Анионы органических кислот остаются в клетке, тем самым обеспечивая появление разности потенциалов. Таким образом, внутренняя поверхность мембраны становится электроотрицательной по отношению к наружной ее поверхности. Эта разность потенциалов называется мембранным потенциалом покоя. Возникшая разность потенциалов препятствует дальнейшему выходу ионов калия из клетки, наступает равновесие между диффузией калия из клетки по концентрационному градиенту и входом этих катионов по электрическому градиенту. Мембранный потенциал, при котором достигается это равновесие, называется равновесным калиевым потенциалом. При изменении градиента ионов калия на мембране происходит изменение МПП. Функциональное значение МПП заключается в готовности клетки принимать информацию, т. е. реагировать на воздействия.

В состоянии покоя мембрана нервных клеток незначительно проницаема для ионов натрия и хлора, и вклад этих ионов в формирование МПП в нейронах невелик. Величина МПП нейронов в среднем составляет -70 мВ. Мембрана скелетных мышечных волокон в состоянии покоя относительно хорошо проницаема для ионов хлора, что приводит к увеличению трансмембранной разности потенциалов до -90 мВ. Снижение МПП носит название деполяризация, а его увеличение — гиперполяризация.

Постоянство концентрации ионов калия и натрия на мембране обеспечивается работой натрий-калиевого насоса (натрий-калиевой АТФа-зы). Это интегральный белок, выполняющий функцию транспорта ионов калия в клетку и натрия из клетки. Используя одну молекулу АТФ насос выносит из клетки 3 иона натрия и вносит 2 иона калия. Таким образом, при работе насоса формируется дополнительный заряд мембраны — насосный потенциал. Следовательно, МПП нейрона имеет две составляющих: концентрационный потенциал и насосный потенциал, а натрий-калиевый насос обладает электрогенными свойствами, т. е. при работе формирует дополнительный заряд на мембране. Работа насоса блокируется сердечным гликозидом оуабаином. При блокаде насоса со временем происходит выравнивание концентраций натрия и калия на мембране и, как следствие, снижение МПП. Активация работы насоса происходит при увеличении концентрации натрия внутри клетки и (или) увеличении концентрации калия на наружной поверхности мембраны.

При действии на клетку раздражителя наблюдается быстрое изменение заряда мембраны, снижение ММП и даже изменение заряда на противоположный. Этот процесс получил название процесс возбуждения. Возбуждение может протекать в двух формах: местное возбуждение (локальный ответ, ЛО) и распространяющееся возбуждение (потенциал действия, ПД).

В зависимости от силы раздражители делятся на пороговые, подпороговые и сверхпороговые. Порог раздражения — это минимальная сила раздражителя, которая вызывает ответ клетки в форме ПД. Подпороговые раздражители вызывают местное возбуждение. Раздражители пороговой силы снижают МПП до некоторой величины, которая называется критическим уровнем деполяризации (КУД). При достижении КУД на мембране открываются потенциал-управляемые натриевые и калиевые каналы. Проницаемость мембраны для ионов натрия резко повышается, натрий лавинообразно устремляется внутрь клетки, что вызывает перезарядку мембраны, внутренняя сторона которой становится электроположительной по отношению к наружной. Эта фаза ПД называется быстрая деполяризация. При достижении пика ПД проницаемость мембраны для ионов натрия резко падает, а проницаемость для ионов калия становится максимальной. Ионы калия выходят из клетки черезпотенциал-управляемые каналы, в результате чего происходит восстановление МПП. Эта фаза называется быстрая реполяризация. Амплитуда ПД составляет 100—120 мВ, длительность 2—5 мс. Электровозбудимые натриевые каналы имеют два типа ворот — активационные (m) и инактивационные (h) — и могут находиться в трех состояниях:

· закрыты, готовы к работе (при МПП);

· открыты, т. е. активированы (фаза быстрой деполяризации ПД);

· инактивированы (пик ПД и начало фазы реполяризации).

Электровозбудимые калиевые каналы имеют только один тип ворот (активационные) и поэтому могут находиться в двух состояниях:

· закрыты, готовы к работе (при МПП);

· открыты, т. е. активированы (фаза де- и реполяризации).

ПД может сопровождаться следовыми процессами:

· отрицательный следовой потенциал (следовая деполяризация);

· положительный следовой потенциал (следовая гиперполяризация).

Величина порога раздражения определяется соотношением МПП и КУД мембраны: порог = МПП - КУД.

Порог является мерой возбудимости мембраны. Увеличение порога раздражения свидетельствует о понижении возбудимости, понижение порога — о повышении возбудимости мембраны.

При действии на мембрану подпороговых раздражителей деполяризация не достигает критического уровня и ПД не возникает, формируется местное возбуждение. Местное возбуждение обладает следующими свойствами:

1) амплитуда зависит от силы раздражителя;

2) распространяется по мембране с затуханием, т. е. с уменьшением амплитуды;

3) способно к суммации и может перерасти в ПД, если деполяризация достигнет КУД;

4) возбудимость мембраны повышается, т. к. МПП приближается к КУД.

Свойства ПД:

1) возникает при действии пороговых и сверхпороговых раздражителей. Амплитуда не зависит от силы раздражителя. Всегда максимален по величине, т. е. подчиняется закону «Все или ничего»;

2) распространяется по мембране без изменения амплитуды.

Во время развития ПД наблюдается изменение возбудимости мембраны:

а) фаза быстрой деполяризации — возбудимость резко падает. Развивается состояние полной невозбудимости (абсолютный рефрактерный период);

б) фаза быстрой реполяризации — возбудимость постепенно восстанавливается (относительный рефрактерный период);

в) следовая деполяризация — возбудимость повышена;

г) следовая гиперполяризация — возбудимость понижена. Состояние рефрактерности мембраны обусловлено полной или частичной инактивациейэлектровозбудимых натриевых каналов.

Законы раздражения

По биологическому значению все раздражители делятся на адекватные и неадекватные. Адекватными называются раздражители, к восприятию которых данная возбудимая структура приспособилась в процессе эволюции. К неадекватным относятся раздражители, не являющиеся в естественных условиях средством возбуждения, однако способные при большой силе вызвать процесс возбуждения. В качестве адекватного раздражителя возбудимых структур в физиологии и медицине используют электрический ток. Для раздражения (стимуляции) нервов или мышц используют приложенный извне электрический ток, во время протекания которого возникает процесс возбуждения.