Функции нервных клеток

Чувствительность возбудимых тканей организма к электрическим токам впервые была показана итальянским ученым Луиджи Гальвани в конце XVII в. Более детальное исследование было проведено в 1840 г.

Карло Маттеуччи. Он поставил опыт, в котором один нервно-мышечный препарат возбуждался током, возникающим при сокращении мышцы другого препарата. Так впервые было показано, что в возбудимых тканях возникают электрические токи. Позже стало очевидно, что сигналы, возникающие в нервных клетках и других возбудимых тканях, обусловлены электрическими свойствами клеточных мембран.

Возбудимые клетки поляризованы, т. е. по разные стороны клеточной мембраны существует разность потенциалов, называемая мембранный потенциал клетки. Внутри клетки содержится много отрицательных зарядов, поэтому внутренняя среда клетки заряжена более отрицательно, чем наружная.

Таблица 3.1

Содержание ионов (мМоль/л) в клетках позвоночного¹

Мембрана при этом выступает как конденсатор: две электропроводящие среды разделены изолирующим липидным слоем. Для измерения мембранного потенциала один регистрирующий электрод помещают во внеклеточную жидкость, а другой — во внутриклеточную среду, и при этом с помощью вольтметра можно зарегистрировать мембранный потенциал (рис. 3.3). Для таких исследований используют стеклянные микроэлектроды — очень тонкие стеклянные трубочки, заполненные раствором электролита (например, КС1). Диаметр кончика такого электрода очень мал, и его можно вводить в клетки, практически не повреждая их. Так что электрические процессы, происходящие в клетке, можно регистрировать в живой, нормально функционирующей клетке.^[1]

Рис. 33. Схема измерения потенциала покоя^1.

Возбудимые клетки могут находиться в покоящемся и возбужденном состоянии. Мембранный потенциал покоящейся клетки называется потенциалом покоя (ПП). Величина его достаточно сильно различается в разных клетках. Изменяется состояние клетки, и изменяется мембранный потенциал (и наоборот). Если внутри клетки увеличится количество положительных зарядов, то значение мембранного потенциала будет уменьшаться, т. е. будет происходить деполяризация (уменьшение поляризованное™ клетки). Если, наоборот, из покоящейся клетки удалять положительные заряды, то абсолютная величина мембранного потенциала будет увеличиваться, т. е. будет происходить гиперполяризация (увеличение поляризованное™ клетки). Если клетка была предварительно деполяризована, то в последнем случае будет не гиперполяризация, а реполяризация (возвращение к исходной поляризованное™). Поляризовать можно любую клетку. Но для мембран возбудимых клеток (большинство нервных, мышечных и рецепторных клеток) характерно наличие так называемого порогового потенциала (порога возбудимости). Для каждого вида клеток существует определенная величина порога возбудимости. Если деполяризация клетки достигает значения порога, то развивается мощный активный ответ клетки — потенциал действия (ПД). Он возникает в результате скачкообразного изменения свойств мембраны под действием деполяризации.

Теперь перейдем к более тонким молекулярным и ионным механизмам возбудимости клетки. Сначала рассмотрим состояние покоя. За счет чего создается разность зарядов между внутрии внеклеточной средой? Она^[2]

создается вследствие неравномерности распределения ионов по разные стороны мембраны.

Итак, мембрана обладает емкостными свойствами благодаря электроизолирующему двойному липидному слою. Но также мембрана обладает проводимостью за счет того, что в липидный слой встроены специальные структуры: ионные каналы и ионные насосы, с помощью которых ионы могут проходить через мембрану и переносить с собой электрические заряды, обеспечивая таким образом возникновение и изменение мембранного потенциала (МП). Проводимость мембраны является мерой ее ионной проницаемости, т. е. чем выше проводимость, тем большее число ионов может пересечь мембрану за единицу времени под действием электрической силы — разности потенциалов.

Источником энергии для активных электрических процессов, протекающих в мембране, и элементом, обусловливающим ПП, является электрохимический потенциал. Он обусловлен двумя основными свойствами клеток:

• 1) асимметричным распределением ионов между внутрии внеклеточными жидкостями, которое поддерживается метаболическими процессами;
• 2) избирательной проницаемостью ионных каналов клеточных мембран.

Проведем мысленный эксперимент.

• 1. Ванночка заполнена раствором КС1 и разделена на два отдела перегородкой (мембраной), проницаемой только для ионов КЛ Электроды опущены одновременно в оба отделения, и замеряется разность потенциалов. Ионы К/ свободно диффундируют в обе стороны, в системе наблюдается равновесие, равное количество ионов К⁺ находится по обе стороны мембраны. Разница потенциалов при этом равна нулю.
• 2. В одну половину добавляют КС1, и концентрация ионов там становится больше. Возникает химический (концентрационный) градиент для ионов калия и хлора, движущая сила которого направлена из области более высокой концентрации вещества в область более низкой. Ионы К⁺ начинают переходить в зону более низкой концентрации, стремясь выровнять концентрации. Ионы С1^_ не могут пройти через мембрану, и таким образом там, откуда уходят ионы К⁺, возникает отрицательно заряженная зона. Возникает электрический градиент, который мешает ионам К⁺ до конца выровнять концентрацию в ванночках, так как положительно заряженным ионам К становится все труднее двигаться в зону положительного заряда.
• 3. В итоге устанавливается новое равновесие, при этом уравновешиваются две противоположно направленные силы — сила, движущая К⁺ по градиенту концентраций, и сила отталкивания одноименных зарядов, препятствующая движению К⁺. Так как часть ионов К⁺ уже перешла в соседний отсек, то между отсеками возникает разница потенциалов. Она называется калиевым равновесным потенциалом. То же может выполняться и для других ионов.

Равновесный потенциал для того или иного иона должен увеличиваться при увеличении трансмембранного концентрационного градиента этого иона. Уравнение, связывающее отношение концентраций и мембранный потенциал, было выведено в конце XIX в. Вальтером Нернстом:

где R — универсальная газовая постоянная; Т — абсолютная температура в градусах Кельвина; F — число Фарадея (96 500 Кл/моль); Z — электровалентность иона; [X]_нару_ЖН и [Х|_внутр — концентрация иона снаружи и внутри клетки; Ех — равновесный потенциал для иона X.

Электрический потенциал содержимого живых клеток (?_BHVTp) принято измерять по отношению к потенциалу среды (?_наружн);

Например, калиевый равновесный потенциал отрицателен, так как внутри К больше, чем снаружи, и логарифм величины меньше единицы отрицателен.

Обычно ПП составляет от -30 до -100 мВ. Его величина зависит от типа клетки и ионного состава окружающей среды, однако, для данного типа клетки ПП — величина постоянная.

Выше мы рассматривали простую систему, где через мембрану может диффундировать только один ион. Мембрана клетки — гораздо более сложная система, она пропускает многие ионы, но в разной степени. Если мембрана малопроницаема для какого-либо иона, то он будет оказывать меньшее влияние на величину МП. Именно относительная способность различных ионов к диффузии через мембрану определяет их вклад в МП, возникающий благодаря этой диффузии.

В мышцах, нервах и большинстве других клеток ПП наиболее чувствителен к концентрации К+, так как проницаемость мембраны для К⁺ относительно велика по сравнению с остальными катионами.

Мембраны живых клеток в той или иной степени проницаемы для всех ионов, ионы будут утекать (так называемые токи утечки), стремясь выровнять концентрационный градиент. Поэтому клетки как-то должны поддерживать соответствующий градиент концентраций ионов. Для этого они используют механизм активного транспорта некоторых ионов против их электрохимического градиента (рис. 3.4).

Рис. ЗА. Схема активного переноса ионов через клеточную мембрану^[3]:

АДФ — аденазиидифосфорная кислота; Ф — форсфорный остаток Основной механизм активного переноса ионов через мембрану представлен ферментом — Na⁺/K⁺-A Т Фазой. или Na ⁺/К⁺-насосом.

Na⁺/K'-nacoc представляет собой белковую структуру, пронизывающую насквозь мембрану клетки. Этот белок может связывать ионы Na⁺ с внутренней стороны мембраны и ионы К⁺ — с наружной. Затем он может изменять свою конформацию (структурную организацию) таким образом, что совершает как бы кувырок в мембране и при этом «обменивает» ионы друг на друга. На эти конфирмационные перестройки и на преодоление силы градиента концентраций затрачивается энергия, получаемая при расщеплении молекулы АТФ. Так поддерживается электрохимический градиент для ионов натрия и калия. Этот насос является также электрогенным, так как удаляет из клетки больше положительных зарядов (три иона натрия), чем закачивает внутрь (два иона калия), таким образом увеличивая поляризованность клетки. В настоящее время выявлены и изучены не только натриевые и калиевые, но также кальциевые, водородные и хлорные насосы.

Существуют и другие механизмы переноса ионов через мембрану (рис. 3.5).^[4]

Рис. 3.5. Основные типы транспортных механизмов в биологических мембранах^1.

Мембранный потенциал создается в результате как активных, так и пассивных механизмов транспорта ионов. Степень участия тех или иных механизмов в разных клетках неодинакова, поэтому и мембранный потенциал в клетках разного типа отличается (от -40 до -90 мВ).

• [1] Сост. по: Шеперд Г. Нейробиология: пер. с англ. В 2 т. М.: Мир, 1987; с изм.
• [2] Рисунок В. А. Дубинина, печатается с разрешения автора.
• [3] Сост. по: Регуляторные системы организма человека / В. А. Дубынин [и др.].
• [4] Фундаментальная и клиническая физиология / под ред. А. Г. Камкина, А. А. Каменского.