И окружающим раствором.
Эта разность потенциалов называется мембранный потенциал покоя (МПП), для разных клеток он колеблется от – 60 до –90 милливольт. Величина внутриклеточного электрического потенциала, например, у нервных клеток, составляет приблизительно -70 мв. Возбудимые клетки способны реагировать на раздражение и возбуждаться потому, что в исходном состоянии они поляризованы, т.е. обладают разностью потенциалов между внутренней стороной мембраны, которая заряжена отрицательно, и окружающей средой. Клетка, не имеющая такого потенциала, не способна ответить на раздражение, поэтому во всех возбудимых клетках постоянно протекают процессы, поддерживающие этот потенциал. Таким образом – мембранный потенциал покоя – основа возбудимости клетки.
Чтобы разобраться в механизмах, обеспечивающих формирование потенциала покоя мембраны необходимо вспомнить как устроена клеточная мембрана и изучить деятельность двух важных компонентов клеточной мембраны: ионных каналов и натрий/ калиевого насоса.
Клеточная мембрана, отделяющая клетку от окружающего пространства, построена из двух слоев жироподобных молекул, которые называются фосфолипиды. Особенностью этих длинных молекул является асимметричность их концов: один конец молекулы может контактировать только с водой, а другой – только с жиром, поэтому концы, которые «любят жир» соединены между собой таким образом, что концы, которые «любят воду» направлены внутрь клетки, в ее водную среду, и наружу – в водную среду, окружающую клетку. Между молекулами фосфолипидов находятся молекулы холестерола, которые делают мембрану более жесткой (рисунок 7). До 40% поверхности мембраны представлено разнообразными сложными белками, которые выполняют различные функции. Белки, расположенные на наружной поверхности мембраны, часто объединены с углеводными группами, как правило, выполняют функции мембранных рецепторов – с этими белками взаимодействуют различные биологически активные вещества, например, гормоны. Белки, расположенные на внутренней поверхности мембраны, обычно выполняют функции внутриклеточных посредников между гормоном и клеткой – эти белки могут изменить активность внутриклеточных ферментов, следовательно, скорость протекания какого-либо процесса в клетке, например, расщепление глюкозы, так необходимой для работы нейронов. Есть белки, которые пронизывают мембрану насквозь, такие белки называютсяинтегральными. Интегральные белки могут образовывать в мембране пору (отверстие, заполненное водой) для транспорта ионов, могут выполнять и более сложные функции.
Основным свойством клеточной мембраны является ее прочность и способность к самовосстановлению в случае повреждения. Однако, такая мембрана не проницаема для заряженных частиц, которыми являются ионы, они могут попасть в клетку или из клетки только через ионные каналы.
Рисунок 7. Строение клеточной мембраны
Ионные каналы
Ионные каналыпредставлены интегральными белками мембраны. Эти белки способны, при определенных воздействиях, изменять свою конформацию (форму и свойства) таким образом, что пора, через которую может пройти какой-либо ион открывается или закрывается. Известны натриевые, калиевые, кальциевые, хлорные каналы, иногда канал может пропускать два иона, например известны натрий – кальциевые каналы.Через ионные каналы осуществляется только пассивный транспорт ионов.Это значит, что для перемещения иона необходим не только открытый канал, но и градиент концентрации для этого иона. В этом случае, будет движение иона по градиенту концентрации – из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией. Необходимо помнить, что мы говорим об ионах – заряженных частицах, транспорт которых обусловлен еще и зарядом. Возможны ситуации, когда движение по градиенту концентрации может быть направлено в одну сторону, а существующие заряды противодействуют этому переносу.
Ионные каналы обладают двумя важнейшими свойствами: 1) избирательностью (селективностью) по отношению к определенным ионам и 2) способностью открываться (активироваться) и закрываться. При активации канал открывается и пропускает ионы (рис. 8). Таким образом, в комплекс интегральных белков, формирующих канал, должны обязательно входить два элемента: структуры, распознающие «свой» ион и способные его пропустить, и структуры, которые позволяют узнать – когда пропускать этот ион. Селективность канала определяется теми белками, которые его образуют, «свой» ион распознается по размерам и заряду.
Активация каналов возможна несколькими путями. Во-первых, каналы могут открываться и закрываться при изменении потенциала мембраны. Изменение заряда приводит к изменению конформации белковых молекул, и канал становится проницаемым для иона. Для изменения свойств канала достаточно ничтожного колебания потенциала мембраны. Такие каналы называются потенциал-зависимые (или электроуправляемые). Во-вторых, каналы могут быть частью сложного белкового комплекса, который называется мембранный рецептор. В этом случае изменение свойств канала обусловлено конформационнй перестройкой белков, которая происходит в результате взаимодействия рецептора с биологически активным веществом (гормоном, медиатором). Такие каналы называются хемозависимые (или рецептор-управляемые). Кроме того, каналы могут открываться при механическом воздействии – давлении, растяжении (рис.9). Механизм, который обеспечивает активацию, называется воротами канала. По скорости, с которой открываются и закрываются каналы их можно разделить на быстрые и медленные.
Большинство каналов (калиевые, кальциевые, хлорные) могут находиться в двух состояниях: открытом и закрытом. В работе натриевых каналов есть некоторые особенности. Этим каналам, как и калиевым, кальциевым, хлорным свойственно находиться или в открытом, или в закрытом состоянии, однако, натриевый канал может быть и инактивирован, этот состояние, в котором канал закрыт и не может быть открыт никаким воздействием (рис.10).
Рисунок 8. Состояния ионных каналов
Рисунок 9. Пример работы рецептор-управляемого канала. АЦХ – ацетилхолин. Взаимодействие молекулы АЦХ с мембранным рецептором изменяет конформацию воротного белка таким образом, что канал начинает пропускать ионы.
Рисунок 10 Пример потенциал-зависимого канала
В потенциал-зависимом натриевом канале имеются активационные и инактивационные ворота (заслонки). Активационные и инактивационные заслонки меняют конформацию при различном мембранном потенциале.
При рассмотрении механизмов возбуждения нас будет интересовать в основном работа натриевых и калиевых каналов, однако, остановимся коротко на особенностях кальциевых каналов, они нам понадобятся в дальнейшем. Натриевые и кальциевые каналы отличаются по своим свойствам. Натриевые каналы бывают быстрые и медленные, а кальциевые – только медленные. Активация натриевых каналов приводит только к деполяризации и возникновению или ЛО, или ПД, активация кальциевых может дополнительно вызвать метаболические изменения в клетке. Эти изменения обусловлены тем, что кальций связывается со специальными, чувствительными к этому иону белками. Связанный с кальцием белок изменяет свойства таким образом, что становится способен изменить свойства других белков, например, активировать ферменты, запустить сокращение мышцы, выделение медиаторов.
Механизм работы Na+/K+ насоса