Лекція 1. З Б У Д Л И В I С Т Р У К Т У Р И
План:
Основні властивостi збудливих тканин
Міжклітинна передача збудження i гальмування
1. Основні властивостI збудливих тканин
Основною властивістю живих систем є здатність відповідати на вплив оточуючого середовища активною реакцією. Ці властивості притаманні всій живій матеріі, проте особливо яскраво вони виявляються в реакціях нервової, м"язової та залозистої тканин, які називають збудливими, тобто здатними відповідати процесом збудження на дію подразників. Подразник викликає в клітині складний комплекс мікроструктурних перебудов, а також зміни обміну речовин, концентрації й швидкості руху іонів та їхнього розподілу на клітинних мембранах.
Жива клітина при здійсненні своїх функцій безперервно генерує та підтримує електричні потенціали, тому електрофізіологічні дослідження являють собою універсальний спосіб з`ясування механізмів діяльності збудливих структур. Першу фізико-хімічну теорію електричних явищ у живих тканинах розробив у 1896-1906 рр. відомий український вчений, професор Київського університету В.Ю.Чаговець. Виходячи з теорії електролітичної дисоціації, він вважав, що електричні потенціали утворюються за рахунок різної швидкості дифузії основних фізіологічних іонів і перш за все — іонів вугільної кислоти. Проте пізніше було доведено, що основними іонами, які беруть участь у генерації електричних потенціалів клітин, є іони К+, Na+ i Cl-. За умовами виникнення в живих утворах розрізняють мембранні потенціали спокою (МПС) та потенціали дії (ПД).
|
|
Мембранний потенціал спокою.
У всіх клітинах поверхневий шар цитоплазми є спеціалізованою структурою, яка називається мембраною. Ця мембрана електрично поляризована, і різницю потенціалів між зовнішньою і внутрішньою поверхнями мембрани називають мембранним потенціалом спокою (МПС). Для того, щоб зрозуміти природу виникнення цього потенціалу, треба розглянути деякі властивості самої мембрани, а також склад поза- і внутрішньоклітинної рідин.
Мембрана — це тонкий (завтовшки 5-10 нм) утвір, який складається з ліпідів, білків і мукополісахаридів. Бімолекулярний шар ліпідів є матриксом мембрани, в який занурені білкові молекули, що утворюють канали для води і іонів, формують іонні насоси тощо (рис.10-1А). Мукополісахариди, розташовані у вигляді "дерев" на поверхні мембрани, здійснюють рецептивні функції. Мембрана постійно оновлюється і її властивості можуть дещо змінюватися.
Клітинна мембрана має значний опір і ємність. Так, у аксона кальмара питомий опір мембрани (Rм) становить у спокої 1000 ом·см2, а ємність (См) — приблизно 1 мкФ/см2. Ємність мембрани, яка створюється переважно її ліпідним матриксом, досить постійна, а опір мембрани електричному струму сильно залежить від стану її іонних каналів.
|
|
Існування МПС, перш за все, обумовлене нерівномірним розподілом іонів між поза- та внутрішньоклітинним простором (табл. 10.1).
Другим важливим фактором, який має значення для створення МПС, є різна проникність мембрани до різних іонів. Мембрана легко проникна для жиророзчинних речовин, молекули яких проходять крізь її ліпідний матрикс. Крупні водорозчинні молекули, у тому числі й аніони органічних кислот, практично не проникають крізь мембрану. У стані фізіологічного спокою клітинна мембрана проникна до іонів К+, оскільки в ній розташовані спеціальні калієві канали, що пропускають лише гідратований К+.
Коли іон К+ виходить з клітини, він затримується на зовнішній поверхні мембрани, створюючи її позитивний заряд. Великі аніони не можуть пройти із середини клітини крізь мембрану, накопичуються біля її внутрішньої поверхні і створюють там негативний потенціал. Так виникає трансмембранна різниця потенціалів, або МПС.
Потенціали дії
Потенціалами дії (ПД) називаються швидкі коливання МПС, що виникають при збудженні клітини. В основі ПД лежать зміни іонної провідності мембрани. Амплітуда і тривалість ПД окремої клітини мало залежать від сили подразнення, важливо лише, щоб ця сила досягла певної критичної величини — порога подразнення. ПД, що виник у місці подразнення, поширюється вздовж нервового чи м'язового волокна, не змінюючи своєї амплітуди. Наявність порогу подразнення і незалежність амплітуди ПД від сили подразнення називається законом "все або нічого". Щоправда, у таких тварин як гідра, ПД при своєму поширенні по дифузній нервовій системі поступово "затухає", або, як кажуть, поширюється з декрементом.
Для реєстрації ПД використовують поза- та внутріклітинні електроди. При позаклітинному відведенні електроди підводять до зовнішньої поверхні волокна (клітини). Реєстрація ПД за допомогою позаклітинних електродів показала, що поверхня збудженої ділянки на дуже короткий час (мілісекунди) стає зарядженою негативно по відношенню до сусідньої незбудженої ділянки (рис.10.2).
залежно від умов відведення розрізняють двофазні та однофазні ПД. Перші виникають, коли збудження, що поширюється по нервовому чи м`язовому волокну, проходить послідовно спочатку під одним, а потім під другим відвідним електродом (рис.10.2). Щоб отримати однофазний ПД, треба ділянку тканини під другим, дальшим від подразнюючих, електродом вбити (отруїти). Тоді збудження до другого електроду не доходить, і на екрані осцилографа ми бачимо лише першу фазу ПД. в деяких особливих умовах (в об"ємному провіднику) можна зареєструвати і трьохфазний ПД.
Iонний механізм генерації ПД. В основі генерації ПД лежать зміни проникності клітинної мембрани, що послідовно виникають у часі. В момент подразнення провідність мембрани до іонів Na+ зростає і останні починають входити у клітину і тим самим знижувати внутрішній негативний заряд мембрани, тобто буде виникати деполяризація мембрани. При досягненні мембраною певного - критичного рівня деполяризації виникає лавиноподібний потік іонів Na+ всередину клітини, що зумовлює розвиток висхідного коліна ПД. В цей момент gNa зростає у 100 разів, порівняно з станом спокою, і стає у 20 разів більше gk. І якщо це збільшення натрієвої провідності триває далі, то заряд мембрани в місці подразнення змінюється — виникає так звана реверсія знаку МП.
Натрієва провідність досягає максимуму менш, ніж за 1 мс після початку ПД, а потім різко знижується, зникаючи зовсім протягом 5 мс, хоча деполяризація мембрани ще зберігається. Це явище називається натрієвою інактиктивацією, яка існує до тих пір, поки триває деполяризація мембрани. Натрієва активаційна система відновлюється, коли МП повертається до вихідного рівня або, навіть, при певній гіперполяризації мембрани. На відміну від gNa , gK не інактивується, і, навіть, зростає доти, поки існує деполяризація мембрани.
|
|
Зміни збудливості клітини при збудженні. Під час натрієвої інактивації будь-яка деполяризація мембрани абсолютно неефективна, тобто клітина в цей час незбудлива. Це так званий абсолютний рефрактерний період, який триває 1-2 мс. Потім протягом кількох мілісекунд після закінчення абсолютної рефрактерності нове збудження можна викликати лише при більшій силі подразнення, ніж перший ПД. Величина ПД в цей час також зменшена, оскільки натрієва система не повністю відновлена від інактивації після першого ПД (рис.10.3 Б). Цей відрізок часу, протягом якого відбувається відновлення збудливості клітини, називається відносним рефрактерним періодом,.
Абсолютний рефрактерний період обмежує максимальну частоту генерації ПД живою клітиною. Оскільки у більшості нервових клітин ПД триває близько 2 мс, то максимально можлива частота генерації ПД у них буде 500/с. Проте, є клітини з ще коротшим рефрактерним періодом, які мають частоту генерації до 1000/c. Але звичайно частота генерації ПД у ЦНС не перевищує кількох десятків ПД за 1 с.
У живій клітині існують дві системи руху іонів крізь мембрану. Одна з них здійснюється за градієнтом концентрації іонів і не вимагає витрати енергії, це пасивний іонний транспорт. Він відповідає за підтримання МПС та виникнення ПД і здійснюється через іонні канали. Друга система руху іонів крізь мембрану відбувається проти концентраційного градієнта і полягає у "викачуванні" іонів Na+ з цитоплазми і "закачуванні" іонів К+ всередину клітини за допомогою іонних насосів. Цей механізм можливий тільки при витратах енергії і називається активним іонним транспортом.
|
|
Функції іонних каналів. У цитоплазматичній мембрані існують пори, або канали. Терміном канал позначається той шлях, яким іони проходять крізь мембрану за електрохімічним градієнтом. У мембрані існують декілька відмінних іонних каналів. Так, виділяють селективні та неселективні канали. Перші з них пропускають лише один якийсь певний іон: Na+, K+ або Са2+, а другі - кілька іонів. Крім того селективні канали поділяються на потенціалозалежні, потенціалонезалежні (хемочутливі) і канали витоку.
потенціалозалежні канали. Провідність цих каналів контролюється величиною МПС, тобто ці канали відкриваються (активуються) і закриваються (інактивуються) у відповідь на зміни МПС. Потенціалозалежні канали функціонують в електрозбудливих мембранах і беруть участь у генерації ПД. Електрична збудливість пов'язана з існуванням у таких каналах особливого молекулярного пристрою — воріт, відкривання і закривання яких визначається електричним полем мембрани.
"Ворота" можуть знаходитись тільки в двох положеннях: повністю відкритому чи повністю закритому, тому провідність поодинокого іонного каналу — величина стала. Через відкриті канали іони рухаються за концентраційним і електрохімічним градієнтами. Ці потоки іонів призводять до зміни МП, що в свою чергу, змінює середню кількість відкритих каналів і, відповідно, величину іонних струмів.
Для дослідження діяльності іонних каналів застосовують різні методи, один з них — це метод "фіксації напруги на мембрані", з допомогою якого штучно підтримується на мембрані будь-який потрібний потенціал. Про діяльність каналів судять по іонних струмах, які в цей час течуть крізь мембрану.
Потенціалозалежними є натрієві, калієві і кальцієві канали. Натрієві і кальцієві канали відповідають за ранній (початковий) струм вхідного в клітину напрямку, а калієві — за пізній (відставлений) струм вихідного з клітини напрямку.
У натрієвих каналах наявні два типи "воріт" — швидкі активаційні і повільні інактиваційні. Отже, початкове збільшення gNa пов"язане з відкриванням перших воріт ("процес активації"), а наступне повільне зниження gNa, що відбувається під час деполяризації мембрани, зумовлене закриванням других воріт ("процес інактивації").
Натрієві канали характеризуються досить високою, але не абсолютною вибірковістю до іонів Na+, оскільки в більшій або меншій мірі вони проникні також для іонів літію, талію і навіть деяких органічних катіонів (гідразин, амоній). Отвір натрієвого каналу має прямокутну форму розмірами 0,3 х 0,3 нм. Вузька частина каналу, що слугує селективним фільтром, дуже коротка і несе одиничний негативний заряд. Цей заряд притягує катіони, відштовхує аніони і забезпечує тим самим вибіркову проникність до Na+ і подібних до нього катіонів.
Активаційні та інактиваційні ворота розташовані біля внутрішнього кінця натрієвого каналу, причому інактиваційні ворота спрямовані в бік цитоплазми (рис.10.6). У стані спокою активаційні ворота закриті, а інактиваційні відкриті. При деполяризації мембрани спочатку відкриті обидва типи воріт, тобто канал пропускає іони Na+. Потім інактиваційні ворота повільно закриваються — канал інактивується. Лише після закінчення деполяризації поступово відкриваються інактиваційні ворота, а активаційні закриваються і канал повертається у вихідний стан.
Деякі речовини специфічно змінюють процеси активації та інактивації натрієвих каналів. Так, батрахотоксин спричиняє стійку деполяризацію мембрани, підвищуючи gNa. Він повністю усуває процес натрієвої інактивації так, шо натрієві канали стають постійно відкритими. Тетродотоксин дуже швидко і різко пригнічує ранній струм крізь мембрану, але тільки тоді, коли він діє іззовні, тобто на чутливі до тетродотоксину рецепторні структури натрієвих каналів, розміщені на зовнішній поверхні мембрани.
Калієві канали за своєю будовою нагадують натрієві, але вони відрізняються своєю вибірковістю, спрямованістю потоку іонів та кінетикою процесів інактивації і активації. У всіх збудливих клітинах калієві канали відповідають за пізній іонний струм. Діаметр калієвого каналу у найвужчій його частині становить 0,3 нм. Отже, калієві канали проникні для катіонів, розміри яких перебувають у межах 0,26-0,3 нм (К+, Rb+).
Активація цих каналів відбувається досить повільно, порівняно з натрієвими. Крім того, протягом перших 10 мс деполяризації немає ніякої калієвої інактивації, вона виникає тільки при дуже тривалій (багато секунд) деполяризації мембрани.
Щоправда, щойно викладені дані про співвідношення між процесами активації та інактивації калієвих каналів властиві лише для нервових волокон. У мембрані багатьох нервових і м'язових клітин існують калієві канали, які порівняно швидко інактивуються. Виявлені також калієві канали з швидкою активацією. Нарешті, є калієві канали, які активуються не мембранним потенціалом, а внутрішньоклітинним Са2+. Щільність розташування калієвих каналів на мембрані дещо менша, ніж натрієвих. Специфічним блокатором калієвих каналів є тетраетиламоній (ТЕА), іони Н+ та амінопіридини. ТЕА діє з будь-якого боку мембрани.
Кальцієві канали. Ретельне дослідження роботи іонних каналів у різних нервових клітинах дозволило модифікувати іонну модель генерації ПД, запропоновану Ходжкіним і Хакслі, яка включала лише натрієві та калієві канали. Виявилося, що іони Са2+ також беруть активну участь у процесі генерації ПД. Мало того, з'ясувалося, що в деяких клітинах вхідний струм створюється переважно іонами Са2+ (нейрони молюсків, непосмуговані м'язові клітини). Крім порівняно швидкого вхідного кальцієвого струму, що бере участь у генерації ПД, був виявлений ще один дуже повільний кальцієвий струм. Цей струм відповідає за повільну деполяризацію (протягом кількох секунд), яка обумовлює генерацію серій імпульсів у деяких пейсмейкерних нейронах (клітини Пуркін'є).
Кальцієві канали мають дещо уповільнену (порівняно з натрієвими каналами) кінетику процесу активації, яка триває мілісекунди, і ще повільнішу кінетику процесу інактивації, яка триває десятки і сотні мілісекунд.
Селективність (вибірковість) кальцієвих каналів обумовлена наявністю в ділянці зовнішнього входу якихось хімічних груп, які мають підвищену спорідненість до двохвалентних катіонів: іони Са2+ зв'язуються з такими групами і тільки після цього проходять у порожнину каналу. До деяких двохвалентних катіонів спорідненість цих хімічних груп така велика, що зв'язуючись з ними, ці катіони блокують рух Са2+ крізь канал. Так, наприклад, діють іони Mn2+. Специфічними блокаторами кальцієвих каналів є харибдотоксин, вилучений з отрути скорпіона, а також такі органічні речовини, як верапаміл та ніфедипін. Останні широко застосовуються при лікуванні деяких серцево-судинних хвороб.
Характерною особливістю кальцієвих каналів є їхня залежність від клітинного метаболізму, зокрема від циклічних нуклеотидів (цАМФ, цГМФ), які регулюють процеси фосфорилювання і дефосфорилювання білків кальцієвих каналів. Іони Са2+ ефективно впливають на синтез білків і забезпечують транспорт утворених молекул до аксонів і дендритів. Відкриття цього явища безпосередньо свідчило про те, що процеси на мембрані прямо пов'язані з процесами в самій клітині.
Дослідження останніх років показали, що іони Са2+ є важливим регулятором активності збудливих систем. Щоправда, переважна кількість цих іонів, що потрапили в клітину при збудженні, зв'язується буферними системами цитозолю, мітохондріями та іншими внутрішньоклітинними депо. Проте та невелика частина Са2+, що залишається вільною, бере активну участь у таких процесах як регуляція діяльності К+- та Сl--каналів, Са2+-Na+-обміні тощо (П.Г.Костюк).
У кальцієвих каналів виявлена ще одна особливість: вони здатні дуже специфічно реагувати на деякі фізіологічно активні речовини, що утворюються іншими клітинами і виділяються ними у внутрішнє середовище організму (катехоламіни, пептиди та ін.). При дії цих речовин канали активуються чи, навпаки, інактивуються. Внаслідок цього змінюється і сумарна активність нервової клітини.
Потенціалонезалежні (хемочутливі) канали. Їх активність контролюється тільки хеморецепторами. Активація хеморецепторів медіаторами супроводжується здебільшого відкриванням каналів. Хемочутливі потенціалонезалежні канали функціонують у субсинаптичних мембранах і беруть участь у генерації постсинаптичних потенціалів. Вони реагують не тільки на нейромедіатори, але і на гормони та деякі інші фізіологічно активні речовини.
Канали витоку також потенціалонезалежні, але не контролюються хеморецепторами. Ці канали відіграють істотну роль у сумарній провідності мембрани у стані спокою, саме їхньою активністю пояснюють менші значення вимірюваного МПС порівняно із розрахованим за рівнянням [5]. Їхня функція ще не з`ясована.
Кожний потенціалозалежний іонний канал навіть при постійних значеннях МП то відкривається, то закривається. Це відбувається випадковим чином, тобто процес має ймовірносний (стохастичний) характер. Таке явище викликає переміщення іонів і створює електричний шум. Аналіз цих шумів дозволив розрахувати щільність розташування іонних каналів у мембрані і провідність одного каналу.
Так, у гігантському аксоні кальмара щільність натрієвих каналів становить 300/мкм2, середня провідність — 4 пС (пікосименсів); у перехваті Ранв'є нервів жаби щільність натрієвих каналів значно вища — 2000/мкм2, а провідність — удвічі більша — 8 пС.
Механізм подразнення клітини електричним струмом
У природних умовах генерацію ПД викликають так звані місцеві (локальні) струми, які виникають між збудженою (деполяризованою) і незбудженою ділянками клітинної мембрани, тому електричний струм розглядається як адекватний подразник для збудливих мембран і успішно використовується в експерименті для вивчення закономірностей подразнення та виникнення ПД.
Закони подразнення. 1). Закон Пфлюгера. при подразненні нерва чи м'яза понадпороговим постійним струмом збудження виникає в момент замикання струму під катодом, а в момент розмикання — під анодом (рис.10.12 а, б). Така залежність дістала назву закону Пфлюгера. Проте пізніше з`ясувалося, що в дійсності збудження завжди виникає під катодом, а виникнення його під анодом є артефакт, пояснення якому буде дано пізніше. Вказана закономірність добре виявляється у досліді з внутріклітинним подразненням. Так, при введенні стимулюючого мікроелектрода у клітину і подразненні її імпульсом постійного струму ПД виникає лише в тому випадку, якщо анод знаходиться всередині клітини, а катод — зовні. Оскільки прийнято вважати, що струм тече від аноду до катоду, сучасна інтерпретація закону Пфлюгера звучить так: збудження при дії постійного струму завжди виникає в місці виходу струму з клітини, тобто під катодом. Така закономірність пояснюється електротонічним підвищенням збудливості під катодом.. Дане положення поширюється і на короткочасні імпульси пульсуючого струму. Тому, коли треба знати точну локалізацію місця подразнення, слід визначати, який з подразнюючих електродів є катодом
2) Закон сили подразнення: чим сильніше подразнення, тим сильніша (до певної межі) і реакція тканини. Подразник повинен мати певну порогову силу — мінімальну силу подразнення, яка викликає мінімальну за величиною реакцію збудливої тканини. Тому можна сказати, що збудливість тканини тим вища, чим нижчий поріг подразнення.
Ті подразники, сила яких нижча за поріг подразнення, називаються підпороговими. Такі подразники не викликають специфічного процессу збудження, а лише деякі локальні реакції. При збільшенні сили подразнення величина реакції тканини зростає до певної межі. Та сила подразнення, яка викликає найбільшу реакцію тканини, називається максимальною. Розрізняють також велику кількість субмаксимальних подразників. Можуть бути також і понадмаксимальні подразники. Проте чимало клітин та тканин реагують на подразники різної сили за іншим законом.
3) Закон "все або нічого". Про цей закон вже йшла мова, коли розглядалася робота серцевого м'яза, який на порогове та будь-яке понадпорогове подразнення реагує максимальним скороченням. Закон "все або нічого" також справедливий для окремих нервових і м'язових клітин: при досягненні критичного рівня деполяризації в них виникає ПД максимальної амплітуди.
4) Закон тривалості подразнення, або закон гіперболи. чим триваліше подразнення, тим меншої сили воно має бути, щоб спричинити порогове збудження, і навпаки, при збільшенні сили подразнення порогова величина його тривалості знижується. Співвідношення між силою і тривалістю подразнення має вигляд гіперболи, яку називають кривою Лапіка (рис.10.13), де реобаза являє собою мінімальну (порогову) силу подразнення, яка протягом певного корисного часу викликає порогову реакцію тканини.
Величина корисного часу різна для різних тканин і є показником їхньої функціональної лабільності. Проте в практиці найчастіше використовують значення хронаксії, що являє собою час дії (порогову тривалість) подразника, сила якого дорівнює двом реобазам. Хронаксіметрія застовується у медицині для визначення функціонального стану нервово-м'язового апарата.
5) Закон градієнта подразнення: чим швидше наростає сила подразнення, тим сильніша (до певної межі) реакція тканини. При повільному наростанні сили подразника його поріг також зростає, і збудження виникає при значно більших величинах подразнення. Причиною цього явища є процеси адаптації тканини, які розвиваються з певною швидкістю, яка може перевищувати швидкість повільного наростання сили подразнення, і тоді збудження не виникає аж до досягнення руйнуючої дії подразника.