Биоэлектрические явления в тканях (биотоки). Фазы возбудимости

 

Все клетки организма животного покрыты мембраной, причем между наружной и внутренней ее поверхностями имеется разность электрических потенциалов. Различают два вида биопотенциалов (биотоков) - потенциал покоя и потенциал действия.

Биотоки покоя характеризуются разностью потенциалов между внутренней и наружной поверхностями клеточной мембраны (в состоя­нии покоя!). Причем наружная поверхность мембраны всегда заряжена по­ложительно, а внутренняя - отрицательно.

Биотоки действия возникают при возбуждении и характеризуют­ся разностью потенциалов между возбужденным и невозбужденным участками ткани. При этом возбужденный участок всегда заряжается от­рицательно, а невозбужденный - положительно.

Биотоки имеют ионную природу, они возникают вследствие переноса ионов калия, натрия, кальция и хлора через мембрану клетки. Поэтому для понимания электрогенеза необходимо знать структуру клеточных мембран и их транспортных систем.

 

Ультраструктурная организация клеточной мембраны

Толщина мембраны составляет около 10 нм. Мембрана состоит, глав­ным образом, из липидов и белков с примесью углеводов (рис.2).

                                             3

Рис. 2. Мозаичная схема клеточной мембраны: 1 - липидный бислой,

2 - интегральные белки, 3 - ионный канал, 4 - полу интегральные белки.

Липиды представлены фосфолипидами, которые имеют полярные «головки» и неполярные «хвосты», т.е. на одном конце молекулы распола­гаются заряженные ионные группы, а другой конец является электроней- тральным. Полярные головки молекул стремятся контактировать с водой, а неполярные хвостовые части избегают таких контактов и притягиваются друг к другу. В результате образуются плёнки, состоящие из двух слоев ли­пидных молекул. Полярные головки обращены к наружной и внутренней среде клетки, где много воды, а неполярные «хвосты» расположены между ними, в середине мембраны.

Мембранные белки делят на две группы в зависимости от характера взаимодействия с бислоем липидов. Первая группа - это периферические белки, которые взаимодействуют с полярными поверхностными частями липидов электростатически. Вторая группа - интегральные белки, которые взаимодействуют с гидрофобной внутренней областью бислоя мембраны (т.е. с «хвостами» липидов).

Функции белков мембраны разнообразны. Среди них имеются рецеп­торные молекулы, воспринимающие различные химические сигнальные ве­щества - медиаторы, гормоны. Есть транспортные белки, переносящие через мембрану различные вещества внутрь клетки или из клетки наружу (ион­ные каналы, ионные насосы, белки-переносчики). В мембране также распо­лагаются белки-ферменты, принимающие участие в обмене веществ, пре­вращении энергии.

Снаружи от липидных слоев, с плавающими в них белками, находится карбогидратная «шуба» клетки. Она состоит, главным образом, из различ­ных олигосахаридов (полимеры, образованные соединенными в одну моле­кулу различными моносахаридами). Такой олигосахаридный покров назы­вается гликокаликеом.

Транспорт ионов через мембрану может осуществляться двумя пу­тями: через ионные каналы, и с помощью молекул-переносчиков (ионные насосы).

 

Ионные каналы

Через ионные каналы перенос ионов осуществляется пассивно, так как сама клетка не затрачивает для этого свою энергию. Перемещение ионов при этом происходит путем диффузии, обусловленной разностью концен­траций ионов по обе стороны мембраны, - по градиенту (разнице) концен­траций данных ионов (из среды с большей концентрацией - в среду с мень­шей концентрацией).

Ионные каналы представляют собой тончайшие поры, образованные молекулами интегральных белков. Каналы пронизывают мембрану и со­единяют наружную и внутреннюю среду клетки. Имеются разные каналы для ионов натрия, калия, кальция, хлора. Они отличаются диаметром и на­личием заряженных структур в канале, дифференцирующих анионы и ка­тионы. Каналы могут быть в трех состояниях: открытом (активированном), закрытом и инактивированном (неспособным открыться).

Большая часть калиевых каналов практически всегда открыта. На­триевые и кальциевые каналы открываются только при действии на них 12 раздражителей - либо электрического тока, либо некоторых химических веществ. Такие каналы соответственно называются электрозависимыми или хемозависимыми. В открытом (активированном) состоянии натриевые или кальциевые каналы находятся в течение очень короткого времени, измеряе­мого сотыми или тысячными долями секунды.

 

Ионные насосы

Ионные насосы - это полуинтегральные белковые молекулы (пере­носчики), они располагаются либо на наружном, либо на внутреннем слое мембраны. На поверхности молекулы имеется группа атомов, присоеди­няющих к себе какие-либо ионы. Быстро перемещаясь на другую сторону мембраны, белковые молекулы переносят присоединившиеся ионы и осво­бождаются от них на другой стороне мембраны. Известны молекулы - пе­реносчики для протонов, иодидов, калия, натрия и кальция. Необходимо от­метить, что в этом виде транспорта перенос ионов происходит против кон­центрационного градиента, т.е. ионы переносятся в область с более высокой их концентрацией, и для этого клетка затрачивает значительную энергию, используя для этих целей АТФ. Таким образом, ионный насос представляет собой активный механизм транспорта веществ через мембрану клетки.

Благодаря ионным насосам поддерживается ионный гомеостаз цитоплазмы. Необходимо помнить, что состав ионов в цитоплазме отлича­ется от ионного состава среды, окружающей клетку - внутри клетки в не­сколько раз больше концентрация калия, чем вне ее, а снаружи - больше концентрация кальция, натрия и хлора, чем внутри клетки. Такое неравно­весное содержание ионов по обе стороны мембраны и поддерживается ра­ботой переносчиков, или насосов. Так, кальциевый насос выкачивает из клетки излишний кальций, а калий-натриевый насос выкачивает из клетки ионы натрия в обмен на ионы калия. Работа ионных каналов происходит не­прерывно, но во время возбуждения она увеличивается.

 

Основные положения мембранной теории

Потенциал покоя

Потенциал покоя возникает вследствие перемещения ионов калия из клетки во внешнюю (по отношению к клетке) среду. Это объясняется тем, что в состоянии физиологического покоя калиевые каналы в мембране от­крыты, а концентрация ионов калия внутри клетки больше, чем снаружи. Положительно заряженные катионы калия, выходя через открытые калие­вые каналы, придают ее наружной поверхности положительный заряд. Внутренняя поверхность мембраны оказывается электроотрицательной по отношению к наружной. Другими словами, - мембрана клетки поляризова­на. Величина мембранного потенциала колеблется в пределах 60-90 мВ.

Потенциалы покоя имеются на всех живых клетках, не только на мы­шечных и нервных. Значение потенциала покоя - транспорт веществ через мембрану, регуляция межклеточных взаимодействий. Например, электриче­ское поле, имеющееся на мембране, втягивает внутрь клетки одни вещества и не пропускают другие; одноименно заряженные эпителиоциты кровенос­ных сосудов и форменные элементы крови отталкиваются друг от друга, и тем самым исключается возможность их склеивания.

Хотя большинство натриевых каналов в состоянии покоя закрыто, не­большое количество катионов натрия все же проникает внутрь клетки с по­мощью переносчиков. Так, например, некоторые вещества (глюкоза, амино­кислоты) могут попадать в клетку только в соединении с ионами натрия. Внутри клетки проникшие вещества отделяются от переносчика, и содержа­ние натрия в цитоплазме увеличивается.

Поскольку пассивный выход калия из клетки и одновременно не­большой вход натрия осуществляются непрерывно, то и ионные насосы должны работать постоянно, сохраняя разность концентрации ионов в цито­плазме и окружающей среде. Поэтому одновременно с пассивным током калия из клетки работает и система переносчиков (ионных насосов), воз­вращающих калий обратно в клетку, и выкачивающих из клетки ионы на­трия. Благодаря их работе сохраняется высокая концентрация калия внутри клетки, и натрия - в межклеточном пространстве.

Таким образом, в состоянии покоя пассивный ток калия из клетки создает разность потенциалов на мембране (снаружи плюс, внутри ми­нус), а активный транспорт с помощью калий-натриевого насоса под­держивает разность концентрации этих ионов. Оба процесса происхо­дят одновременно и непрерывно.

Потенциал действия

При действии на ткань раздражителя открываются натриевые каналы. В этом и заключается суть действия раздражителя. Поскольку концентрация ионов натрия внутри клетки меньше, чем во внеклеточной среде, через от­крывшиеся натриевые каналы катионы натрия начинают пассивно прони­кать внутрь клетки.

Мембранный потенциал сначала уменьшается и исчезает (деполяриза­ция мембраны), а дальнейший ток натрия внутрь приводит к тому, что внут­ренняя поверхность мембраны становится электроположительной, а наруж­ная - электроотрицательной. Величина потенциала действия 110-130 мВ.

На схеме (рис.3) обозначены 5 фаз потенциала действия. Рассмотрим, какие процессы протекают в это время в мембране.

Первая фаза — местная электроотрицательность (местная депо­ляризация). В начале развития потенциала действия открываются не все на­триевые каналы, ток натрия в клетку невелик. Мембранный потенциал не­много уменьшается. Если действовавший раздражитель был слабым (подпороговым), то на этой стадии все и заканчивается. Возбуждение не распро­страняется за пределы участка, натриевые каналы инактивируются, а ион­ный насос восстанавливает нарушенное ионное равновесие. Поэтому пер­вую фазу называют местным, или локальным ответом. Если же раздражитель был пороговой или сверхпороговой силы, то местная реакция ткани немедленно переходит во вторую фазу.

Реверсия (инверсия)

Рис. 3. Схема потенциала действия, зарегистрированного с помощью внутриклеточного микроэлектрода, а - Местное колебание мембранного потенциала; в - восходящая часть пика потенциала действия (фаза деполяризации); с - нисходящая часть пика потенциала действия (фаза реполяризации); d — отрицательный следовой потенциал; е - положительный следовой потенциал.

Стрелкой показан момент нанесения раздражения.

 

Вторая фаза - деполяризация мембраны. Если в первой фазе мем­бранный потенциал снизился на некую определенную величину (10-15 мВ), тогда на участке мембраны открывается большинство натриевых каналов. Такая первоначальная величина мембранного потенциала, достаточная для того, чтобы открылись и другие натриевые каналы, называется критиче­ским уровнем деполяризации.

Если единичный канал пропускают примерно 6000 ионов натрия за 1 мс, что создает очень небольшое напряжение тока, то общий натриевый ток равен сумме тысяч очень слабых импульсных токов, обусловленных от­крытием отдельных натриевых каналов. Входящий ток натрия сначала сдви­гает мембранный потенциал до нуля, а затем он возрастает, но уже с проти­воположным знаком (происходит смена заряда - реверсия, инверсия). Теперь внутри клетки мембрана приобретает положительный заряд (избы­ток катионов натрия), а наружная поверхность мембраны оказывается элек­троотрицательной (дефицит натрия). На высоте пика деполяризации вели­чина ПД становится равной 110-130 мВ. Это состояние продолжается деся­тые и сотые доли миллисекунды.

Третья фаза - реполяризация. С этого момента в мембране начинают­ся восстановительные процессы.

В период реполяризации инактивируются натриевые каналы, что пре­кращает дальнейшее поступление натрия в клетку. Открываются дополни­тельные калиевые каналы, благодаря чему больше ионов калия пассивно вы­ходит из клетки. Усиливается работа калий-натриевого насоса, восстанавли­вающего ионный гомеостаз клетки. В результате - восстанавливается исход­ная полярность мембраны (знаки зарядов: плюс снаружи, минус - внутри), но он еще меньше, чем был до возбуждения. Вначале эти процессы протекаю! быстро, а затем замедляются, что вызывает следовые колебания ПД.

Четвертая фаза ПД - следовая электроотрицательность (следовая деполяризация). Мембранный потенциал продолжает медленно увеличи­ваться, по сравнению с 3 фазой, и достигает уровня покоя.

Пятая фаза - следовая электроположительность (следовая гиперполя­ризация). Как бы по инерции, заряд мембраны продолжает увеличиваться и оказывается на 5-10 мВ больше первоначального.

По окончании 5-й фазы окончательно восстанавливается исходный уровень мембранного потенциала.

Следовые потенциалы могут иметь различную продолжительность в зависимости от свойств данной ткани, а также от величины раздражителя, его частоты и длительности состояния возбуждения.

Значение потенциала действия заключается в следующем:

1)  является раздражителем для соседних участков данной клетки, в результате чего возбуждение распространяется по всей ее поверхности, на которые раздражитель не действовал;

2)  становится пусковым механизмом для внутриклеточных процес­сов: под воздействием электрического тока нерв передает возбуждение, вы­деляются медиаторы, мышца сокращается, а секреторная клетка выделяет секрет.

Итак, потенциал действия возникает в результате пассивного тока натрия внутрь клетки через натриевые каналы, открывшиеся под влиянием раздражителя. Возбужденный участок клетки оказывается электроотрицательным по отношению к невозбужденному. Пик ПД со­ставляет 110-130 мВ. Достигнув пика, мембранный потенциал возвра­щается к уровню потенциала покоя. Продолжительность одного им­пульса в разных тканях от 2 до 200 мсек.