биофизика

их дипольные моменты, что приводит к повышению чувствительности сенсора напряжения к сдвигам мембранного потенциала (КМП приближается к ПП).

Разным возбудимым мембранам присуща неодинаковая продолжительность каждой фазы рефрактерности. Так, в скелетных мышцах АРФ длится в среднем 2,5 мс, ОРФ – около 12 мс, ФЭ – приблизительно 2 мс. Миокард отличается гораздо более продолжительной АРФ: 250 – 300 мс, что обеспечивает четкую ритмичность сердечных сокращений и является необходимым условием жизни. В типичных кардиомиоцитах ОРФ длится около 50 мс, а в сумме продолжительность АРФ и ОРФ примерно равна длительности потенциала действия. Различия в длительности рефракторных фаз обусловлены неодинаковой инерционностью потенциалзависимых ионных каналов. В тех мембранах, где возбуждение обеспечивается натриевыми каналами, рефрактерные фазы наиболее быстротечны и ПД наименее продолжителен (порядка единиц миллисекунд). Если же за возбуждение ответственны кальциевые каналы (например, в гладких мышцах), то рефрактерные фазы затягиваются до секунд. В сарколемме кардиомиоцитов присутствуют и те, и другие каналы, вследствие чего длительность рефрактерных фаз занимает промежуточное значение (сотни миллисекунд).

I I

2IП				I2
IП				I1
tхр	tпол	а	t,мс	tхр	tпол	t,мс
						б

Рис. 3.14. Кривая “сила–длительность” (а) – семейство точек, образованное правыми верхними углами пороговых прямоугольных электрических импульсов (б). На обоих графиках по оси абсцисс – длительности импульсов, по оси ординат – электрический ток, In – реобаза, tпол – полезное время, tхр – хронксия.

Всем возбудимым	тканям свойственна так называемая кривая “сила –
длительность” (см. рис.	а), представляющая собой гиперболу, аппроксимируемую
	61

уравнением: I at b, где I и t – амплитуда и длительность порогового импульса

электрического тока (их произведение дает qп), а и b – константы: at 0 и I = b при

длительных стимулах (теоретически t , а практически – t – время, в течение которого развивается аккомодация). Следовательно, b – пороговая амплитуда электрического тока (Iп), вызывающего возбуждение независимо от продолжительности воздействия. Эту величину принято называть реобазой. При очень коротких стимулирующих импульсах (t0) отношение a/t много больше b. Считая b бесконечно малой величиной, можно привести уравнение к такому виду: I a / t , откуда a = I t. Следовательно, а представляет собой пороговый заряд (qп) при чрезвычайно скоротечном действии электрического стимула. С учётом сказанного кривая “сила – длительность” может быть описана

выражением: I qtп Iп.

Иногда это соотношение называют функциональной зависимостью тока от времени, что искажает суть аппроксимируемого процесса. В уравнении аргументами являются как t, так и I. Функцией служит пороговое возбуждение: Vпор = f(I,t). Такая форма записи означает параметрическое задание функции, в которой параметром служит пороговое возбуждение. Его можно вызвать, изменяя I и t электрического импульса, несущего пороговый заряд. Вся кривая “сила – длительность” является семейством точек, образованным верхними правыми углами пороговых импульсов прямоугольной формы (с разными I и t). Если при данных I и t правый верхний угол импульса точно ложится на кривую, то возникает пороговое (едва заметное) возбуждение многоклеточной (многоволоконной) структуры (нерва или мышцы). Если этот угол оказывается ниже и слева от кривой, то ткань таким импульсом не возбуждается, а если выше и правее её, то возбуждение будет сильнее, чем под влиянием порогового стимула.

Заметим, что понятие силы возбуждения, бессмысленное по отношению к отдельной клетке, правомочно применять к органу. В нём разные клетки имеют неодинаковые пороги возбуждения. По мере нарастания заряда, проходящего через многоклеточное образование, эффект возбуждения усиливается за счёт вовлечения в него все большего количества клеток. Так, мышца сокращается всё сильнее по мере того, как верхний правый угол раздражающего импульса “отходит” от кривой “сила –

62

длительность” кверху и вправо. О пороге в данном случае судят по едва заметному сокращению целой мышцы (или даже группы мышц), что связано с возбуждением самых возбудимых её волокон. Если же верхний правый угол стимулирующего импульса попадает правее кривой “сила – длительность”, то возбуждаются и менее возбудимые волокна. Следовательно, в отличие от отдельной клетки, орган не подчиняется закону “всё или ничего”.

Явление аккомодации свидетельствует, что для возникновения возбуждения необходимо не просто приложить к возбудимой мембране заряд определённой величины, но и сделать это достаточно быстро.

Распространение потенциала действия

Пассивные электрические свойства клеток, в первую очередь, нервных и мышечных волокон, определяющие декремент потенциала на них, в биофизике принято называть кабельными свойствами, поскольку живую клетку, особенно нервное или мышечное волокно, можно уподобить электрическому кабелю, помещённому в электропроводящую среду.

Распространение потенциала действия происходит благодаря возникновению локальных токов между возбужденным и покоящимися участками нервного или мышечного волокна На рис. 3.15. приведена схема, иллюстрирующая изменения мембранного потенциала и локальные токи при проведении потенциала действия в кабельной структуре (направление распространения – справа налево).

Здесь же представлены кривые, характеризующие трансмембранные токи (ток, входящий в волокно,– отрицателен, а выходящий из волокна – положителен), изменения мембранного потенциала вдоль волокна и проводимости мембраны для ионов натрия и калия в определенный момент потенциала действия. Длина участка волокна, где существует потенциал действия, зависит от скорости проведения.

Таким образом, и являются основными параметрами кабельных свойств биомембран. Они количественно характеризуют декремент потенциала как во времени, так и в пространстве (вдоль координаты х). Для уяснения механизмов распространения возбуждения особенно важное значение имеет λ волокон, обладающих возбудимой мембраной.

63

+	А	Б	В
Vm
_
		gNa
g			gK
0
Выходящий		IC
ток
	Ii	Im

Входящий

ток

Наружная

сторона

Мембрана

Внутренняя сторона

Рис. 3.15. Изменение мембранного потенциала (Vm) и натриевой и калиевой проводимости мембраны вдоль кабельной структуры во время распространяющегося потенциала действия, а также токи, текущие через различные участки мембраны. Ii – ток, текущий по ионным каналам. Ic – емкостный ток, Im – суммарный ток (Im = Ii +Ic). На нижней диаграмме показаны локальные токи в области возбужденного участка. Потенциал действия распространяется справа налево (направление его распространения указано стрелкой). Штриховые вертикальные линии позволяют сопоставить события, происходящие в точках, где мембранный потенциал достиг нулевого уровня и максимума, а также в точке, где изменяется направление мембранного тока Im во время нисходящей фазы потенциала действия.

Между возбуждённым и невозбужденным участками волокна течёт электрический ток, поскольку внутренняя поверхность первого из них обладает положительным потенциалом относительно второго и между ними существует разность потенциалов (см.

64

рис. 13.16.а). Токи, возникающие в живых тканях вследствие возбуждения, называются локальными, так как распространяются на незначительное расстояние от возбуждённого участка. Их ослабление обусловлено затратами энергии на заряд мембраны и на преодоление сопротивления цитоплазмы волокна. Локальный ток служит раздражителем для покоящихся участков, непосредственно прилежащих к месту деполяризации. В них развивается возбуждение, а значит, и новая деполяризация. Она приводит к установлению разности потенциалов между вновь деполяризованным и покоящимся (последующим) участком волокна, вследствие чего возникает локальный ток в следующем микроконтуре. Следовательно, распространение возбуждения представляет собой многократно повторяющийся и охватывающий соседние участки возбудимой мембраны процесс ретрансляции ПД и движения локальных токов от деполяризованных к покоящимся пунктам волокна.

+ + + + + + + + + + + + + + + +

1 2 1

+ + + + + + + + + ++ + + + + +

а

_

+

+

_

1

2

+

_

_

+

б

Рис. 3.16. Схема, иллюстрирующая механизм бездекрементного распространения возбуждения по возбудимым мембранам безмякотного (а) и мякотного (б) нервных волокон: 1 – невозбуждённые участки; 2 – возбуждённые участки. Стрелками показано движение локальных токов.

Теория локальных токов подразумевает, что ретрансляция ПД происходит гораздо медленнее, чем течёт электрический ток. Поэтому скорость распространения возбуждения тем выше, чем больше расстояние от места возникновения предшествующего ПД, на котором локальный ток способен возбудить последующий участок возбудимой мембраны. Идентичное свойство отображает постоянная длины волокна (λ). Она возрастает по мере понижения сопротивления цитоплазмы и уменьшения ёмкости клеточной мембраны.

65

Следовательно, и скорость проведения возбуждения по нервным и мышечным волокнам тем выше, чем меньше Ri и См.

Толстые волокна обладают сравнительно низким Ri и, вследствие этого, быстрее проводят возбуждение. В ходе эволюции некоторые животные приобрели способность к быстрой передаче нервных импульсов за счёт образования у них толстых аксонов путем слияния многих мелких в одно крупное. Примером может служить гигантское нервное волокно кальмара. Его диаметр достигает 1 – 2 мм, тогда как обычные аксоны имеют толщину порядка 1 – 10 мкм.

Распространение нервного импульса

Эволюция животного мира привела к использованию другого пути повышения скорости передачи нервной импульсации – уменьшению ёмкости аксолеммы. Так появились нервные волокна, покрытые миелиновой оболочкой. Они называются мякотными, или миелиновыми. Миелиновая оболочка образуется в процессе наматывания на аксон окружающих его шванновских клеток.

Рис. 3.17. Схема образования миелиновой оболочки на аксоне (а) и электронограмма поперечного среза развивающегося мякотного (миелинового) нервного волокна (б) – препарат Н. С. Косицына. Обозначения: А – аксон (осевой цилиндр), ШК – цитоплазма шванновской клетки (леммоцита), М – миелиновая оболочка

В центральной нервной системе функцию шванновских клеток выполняет олигодендроглия. Оболочка представляет собой многомембранную систему, включающую от нескольких десятков до двух сотен элементарных клеточных мембран, прилегающих друг к другу, причём внутренний их слой тесно контактирует с аксолеммой. Толщина всей миелиновой оболочки сравнительно невелика (единицы микрометров), но этого

66

достаточно для значительного понижения ёмкости мембраны, так как миелин служит превосходным изолятором (удельное сопротивление миелиновой оболочки составляет 500

– 800 МОм см). Ёмкость мембраны миелинового аксона примерно в 200 раз меньше ёмкости аксолеммы безмякотного волокна (соответственно 0,05 и 1,0 мкФ см-2).

Диффузия ионов через миелиновую оболочку практически невозможна. Кроме того, в участках аксона, покрытых ею, отсутствуют потенциалзависимые ионные каналы. Поэтому в мякотном нервном волокне генерация ПД сосредоточена только там, где миелиновая оболочка отсутствует. Эти места в мембране миелинового аксона называются перехватами Ранвье, или активными узлами. От перехвата к перехвату нервные импульсы проводятся за счёт декрементного распространения электромагнитного поля. Расстояние (l) между соседними перехватами составляет в среднем 1 мм, но зависит от диаметра (d) аксона. У гомойотермных животных эта зависимость выражается так: l ~ 100.d. У пойкилотермных отношение l/d имеет большую величину (200 – 300). Значит, у теплокровных животных межперехватные участки короче. Перехваты Ранвье занимают около 0,02% общей длины нервного волокна. Площадь каждого из них приблизительно 20 мкм2.

Время проведения возбуждения между соседними активными узлами составляет 5 – 10% длительности ПД. Поэтому преодоление сравнительно большого пути (порядка 1 мм) между следующими друг за другом участками ретрансляции потенциала действия с υ ≈ 108 м◌ּс-1 обеспечивает высокую скорость проведения нервного импульса на протяжении всего волокна.

Важно отметить, что локальные токи, достаточные для регенерации ПД, могут протекать даже через 2 – 3 последовательно расположенных перехвата Ранвье. Более частое, чем необходимо для обеспечения нормального распространения возбуждения, расположение активных узлов в мякотных аксонах служит повышению надёжности нервных коммуникаций в организме.

В безмякотных аксонах ретрансляция ПД должна происходить значительно чаще. Там генераторы ПД распределены вдоль всей длины волокна в непосредственной близости друг от друга (на расстоянии порядка 1 мкм). Этим обусловлена сравнительно низкая скорость проведения возбуждения по мембранам мышечных и безмякотных нервных волокон. В отличие от них, миелиновые аксоны за счёт малой ёмкости межперехватных участков приобрели высокую скорость передачи нервных импульсов (до 140 м с-1).

67

1

2

3 ~1мм

4

			Рис. 3.18. Схема нейрона с миелиновым аксоном,
	5	5	иннервирующим мышцу. Обозначения: 1 – тело нейрона;
			2 – аксон; 3 – миелиновая оболочка; 4 – перехваты Ранвье;
	6	6
			5 – концевые моторные пластинки; 6 – мышечные
			волокна.
	Вследствие	относительно большой протяжённости участков аксона между

соседними активными узлами проведение нервного импульса в мякотном нервном волокне происходит скачками и поэтому называется сальтаторным (от латинского слова saltus – скачок).

Сальтаторное проведение обеспечивает существенную экономию энергии. Так, потребление кислорода при нём в 200 раз меньше, чем при непрерывном распространении нервных импульсов по безмякотным аксонам. Разницу между сальтаторным и непрерывным проведением импульсов иллюстрирует следующий пример: миелиновое волокно подкожного нерва кошки диаметром 4 мкм проводит возбуждение примерно с такой же скоростью (25 м с-1), что и безмякотный гигантский аксон кальмара диаметром около 1 мм. В безмякотных нервных волокнах диаметром 5 – 10 мкм скорость проведения импульсов не превышает 0,5 – 0,7 м с-1.

Наибольшая скорость распространения возбуждения наблюдается в мякотных аксонах, диаметр которых составляет 10 – 15 мкм, а толщина миелиновой оболочки достигает 30 – 50% общего диаметра волокна. Скорость (υ) проведения нервных импульсов в миелиновых аксонах прямо пропорциональна их диаметру, тогда как в

68

безмякотных – квадратному корню из диаметра. Для непрерывного распространения

возбуждения по безмякотным волокнам справедлива формула:	H		r i	,
	C
		м	2R
			м

где r – радиус волокна, См – удельная ёмкость мембраны, Rм – удельное сопротивление мембраны, i – удельная электропроводность цитоплазмы, Н – “фактор надёжности” (отношение амплитуды ПД к Uп, то есть к разности абсолютных значений ПП и КМП); в разных волокнах величина Н неодинакова, но не выходит за пределы 2 – 4.

Cинаптическая передача, химический и электрический механизм передачи информации в синапсах

Функциональный межклеточный контакт, обеспечивающий переход возбуждения с одной клетки на другую, получил название синапса.

Медиаторная передача (“химический синапс”). Во многих синапсах промежуток между контактирующими клетками (синаптическая щель) превышает 20 нм. Синапс передаётся при помощи химических посредников (медиаторов). Гипотеза о химической синаптической передаче возбуждения с нерва на мышцу предложена А. Ф. Самойловым в 1924 г. Она получила подтверждение в экспериментах, проведенных О. Лёви и Г. Дейлом на сердце.

Синапс состоит из трёх основных частей: пресинаптической структуры, синаптической щели и постсинаптической мембраны. Первая из них является местом высвобождения медиатора, который непрерывно медленно диффундирует в синаптическую щель и через неё поступает к постсинаптической мембране. Сквозь пресинаптическую мембрану медиатор проникает посредством пиноцитоза (экзоцитоза). Однако медленный поток медиатора к постсинаптической мембране не возбуждает клетку, которой она принадлежит.

69

6

5

1 4 2

34

Рис. 3.19. Схема синапса. Обозначения: 1 – пресинапс; 2 – синаптическая щель; 3 – субсинаптическая мембрана; 4 – внесинаптические участки постсинаптической мембраны; 5 – гранулированные порции медиатора; 6 – митохондрия.

Темпы выброса медиатора из пресинаптической структуры резко возрастают, когда сюда приходят нервные импульсы, деполяризирующие пресинаптическую мембрану. Деполяризация открывает кальциевые каналы в ней, что приводит к поступлению Са2+ внутрь пресинаптической структуры из межклеточного пространства. Избыток Са2+ понижает поверхностный заряд мембран, покрывающих вакуоли и гранулы с содержащимся в них медиатором, и тем самым способствует слиянию их с пресинаптической мембраной. Последняя мгновенно перестраивается, пропуская сквозь себя порции медиатора, включающие многие тысячи его молекул. Следовательно, нервные импульсы, поступающие к синапсу, усиливают экзоцитоз медиатора. За несколько микросекунд он достигает постсинаптической мембраны и начинает взаимодействовать с тем её участком, который расположен непосредственно в проекции пресинаптической структуры. Такой участок называют субсинаптической мембраной.

Субсинаптическая мембрана существенно отличается от остальных участков постсинаптической мембраны, в состав которой она входит. Во-первых, она не обладает возбудимостью, тогда как остальная часть постсинаптической мембраны возбудима благодаря присутствию потенциалзависимых ионных каналов. Субсинаптическая мембрана таких каналов не содержит. Зато она имеет химиочувствительные ионные каналы, которые открываются под действием медиатора. Сенсором медиатора служат мембранные белки-рецепторы (точнее, гликопротеидные комплексы субсинаптической мембраны). Между молекулами медиатора и мембранного рецептора существует стереосоответствие, обеспечивающее высокую селективность их взаимодействия. Существование химиочувствительных ионных каналов – вторая важнейшая особенность

70