3.6. Типы регуляции функций организма и их надежность

А. Надежность регуляторных механизмов.

При отсутствии патологии органы и системы обеспечивают такой уровень процессов и по­казателей, который необходим организму со­гласно его потребностям в различных усло­виях жизнедеятельности. Это достигается благодаря высокой надежности функциони­рования регуляторных механизмов.

{.Их несколько, и они дополняют друг друга: нервный, гуморальный (гормоны, ме­таболиты, тканевые гормоны, медиаторы) и миогенный.

2. Каждый механизм может оказывать раз­ нонаправленные влияния на орган: напри­ мер, симпатический нерв тормозит сокраще­ ние желудка, а парасимпатический нерв — усиливает. Множество химических веществ стимулирует или тормозит деятельность раз­ личных органов. Например, адреналин тор­ мозит, серотонин усиливает сокращения же­ лудка и кишечника.

3. Каждый нерв (симпатический и пара­ симпатический) при наличии тонуса и изме­ нении степени его выраженности и любое ве­ щество, циркулирующее в крови, при изме­ нении его концентрации также могут вызы­ вать двоякий эффект. Например, симпати­ ческий нерв и ангиотензин сужают кровенос­ ные сосуды; естественно, что при уменьше­ нии их активности сосуды расширяются. Блуждающий нерв тормозит работу сердца, уменьшение его тонуса сопровождается уча­ щением сердечных сокращений.

4. Симпатические и парасимпатические отделы вегетативной нервной системы взаи­ модействуют между собой. Например, выде­ ляющийся из парасимпатических окончаний ацетилхолин действует не только на клетки- эффекторы органа, но и тормозит выброс но- радреналина из рядом расположенных сим­ патических терминалей. Это резко увеличи­ вает эффект действия самого ацетилхолина на орган (подробнее см. раздел 9.8).

5. Уровень гормонов в крови надежно ре­ гулируется. Например, кортикотропин (АКТГ) стимулирует выработку гормонов коры надпочечников, однако избыточный их уровень посредством обратной отрицатель­ ной связи (см. раздел 3.6: Б-1) угнетает выра­ ботку самого АКТГ, что ведет к снижению выделения кортикоидов.

6. Если продолжить цепочку этого анали­за до конечного звена — приспособительно­го результата (поддержание показателей ор­ганизма на оптимальном уровне), то обнару­жим несколько путей их системной регуля­ции. Так, например, необходимый для орга­низма уровень артериального давления под­держивается за счет: 1) изменения интен­сивности работы сердца, 2) регуляции про­света сосудов, 3) количества циркулирую­щей жидкости, что реализуется с помощью перехода жидкости из сосудов в ткани и об­ратно и с помощью изменения ее объема, выводимого с мочой, депонирования крови или выхода ее из депо и циркуляции по со­судам организма.

Таким образом, комбинация различных вариантов регуляторных механизмов с учетом того, что каждый из них обеспечивается не­сколькими или даже несколькими десятками гуморальных факторов, дает общее число этих вариантов, исчисляемое сотнями! Это и обеспечивает весьма высокую степень надеж­ности системной регуляции процессов и по­казателей даже в экстремальных условиях и при патологических процессах в организме.

И наконец, надежность системной регуля­ции функций организма высока еще и пото­му, что имеется два типа регуляции.

Б. Типы регуляции. В литературе встреча­ется несколько терминов, противоречащих друг другу.

В частности, деление регуляции на типы по от­клонению и по возмущению некорректно: в обоих случаях есть возмущающий фактор. Например, возмущающим фактором является отклонение ре­гулируемого показателя от нормы (регуляция по отклонению), т.е. тип регуляции по отклонению без возмущающего фактора не реализуется. В за­висимости от момента включения регуляторных механизмов относительно изменения показателя организма от нормальной величины следует выде­лить регуляцию по отклонению и регуляцию по опережению. Эти два термина включают все дру­гие и исключают терминологическую путаницу.

1. Регуляция по отклонению — цикличес­кий механизм, при котором всякое отклоне­ние от оптимального уровня регулируемого показателя мобилизует все аппараты функ­циональной системы к восстановлению его на прежнем уровне. Регуляция по отклоне­нию предполагает наличие в составе систем­ного комплекса канала отрицательной об­ратной связи, обеспечивающего разнона­правленное влияние — усиление стимулиру­ющих механизмов управления в случае ос­лабления показателей процесса или ослабле-

42

кие стимулирующих механизмов в случае чрезмерного усиления показателей процес­са. В отличие от отрицательной обратной связи положительная обратная связь, встре­чающаяся в организме редко, оказывает только однонаправленное влияние на разви­тие процесса, находящегося под контролем управляющего комплекса. Поэтому положи­тельная обратная связь делает систему неус­тойчивой, неспособной обеспечить стабиль­ность регулируемого процесса в пределах физиологического оптимума. Например, если бы артериальное давление регулирова­лось по принципу положительной обратной ^связи, в случае снижения артериального давления действие регуляторных механиз­мов привело бы к еще большему его сниже­нию, а в случае повышения — к еще боль­шему его увеличению. Примером положи­тельной обратной связи является усиление начавшейся секреции пищеварительных ^соков в желудке после приема пищи, что осуществляется с помощью продуктов гид­ролиза, всосавшихся в кровь.

В качестве примера регуляции с положитель­ной обратной связью называют также развитие быстрой деполяризации мембраны во время по­тенциала действия (взаимоусиление деполяриза­ции и проницаемости мембраны для Na⁺ — см. раздел 4.3). Однако это некорректно, так как дан­ный пример вообще не демонстрирует какого-либо типа регуляции функций органов или систем организма.

Таким образом, функциональные систе­мы поддерживают своими саморегуляторны-ми механизмами основные показатели внут­ренней среды в диапазоне колебаний, не на­рушающих оптимального хода жизнедея­тельности организма. Из этого вытекает, что представление о показателях внутренней среды организма как стабильных величинах относительно. Вместе с тем выделяют «жесткие» показатели, которые поддержи­ваются соответствующими функциональны­ми системами на сравнительно фиксирован­ном уровне и отклонение которых от этого уровня оказывается минимальным, так как чревато серьезными нарушениями метабо­лизма. Выделяют также «пластичные», «мяг­кие» показатели, отклонение которых от оп­тимального уровня допускается в широком физиологическом диапазоне. Примерами «жестких» показателей являются уровень ос­мотического давления, величина рН; «плас­тичных» — величины кровяного давления, температуры, концентрация питательных ве-шеств крови.

В учебной и научной литературе встречаются также понятия «установочная точка» и «заданное значение» того или иного параметра. Эти понятия позаимствованы из технических дисциплин. От­клонение параметра от заданной величины в тех­ническом устройстве немедленно включает регу-ляторные механизмы, возвращающие ее парамет­ры к «заданному значению». В технике подобная постановка вопроса о «заданном значении» впол­не уместна. Эту «установочную точку» задает кон­структор. В организме же имеет место не «задан­ное значение» или «установочная точка», а опре­деленное значение его показателей, в том числе и постоянная температура тела человека и высших животных. Определенный уровень показателей организма обеспечивает относительно независи­мый (свободный) образ жизни. Этот уровень сформировался в процессе эволюции; сформиро­вались и механизмы их регуляции. Поэтому поня­тия «установочная точка» или «заданное значе­ние» следует признать некорректными в физиоло­гии. Имеется общепринятое понятие — гомеоста-зис, т.е. постоянство внутренней среды организ­ма, которое подразумевает постоянство различ­ных показателей организма. Поддержание этого динамического постоянства (все показатели ко­леблются: одни больше, другие — меньше) и обес­печивается всеми регуляторными механизмами.

2. Регуляция по опережению заключается в том, что регулирующие механизмы включа­ются до реального изменения параметра ре­гулируемого процесса (показателя) на основе информации, поступающей в нервный центр функциональной системы и сигнализирую­щей о возможном изменении регулируемого процесса (показателя) в будущем. Например, терморецепторы (детекторы температуры), находящиеся внутри тела, обеспечивают кон­троль за температурой внутренних областей тела. Терморецепторы кожи в основном иг­рают роль детекторов температуры окружаю­щей среды (возмущающий фактор). При зна­чительных отклонениях температуры окру­жающей среды создаются предпосылки воз­можного изменения температуры внутренней среды организма. Однако в норме этого не происходит, так как импульсация от термо­рецепторов кожи, непрерывно поступая в ги-поталамический терморегуляторный центр, позволяет ему произвести изменения работы эффекторов системы до момента реального изменения температуры внутренней среды организма. Усиление вентиляции легких при физической нагрузке начинается раньше уве­личения потребления кислорода и накопле­ния угольной кислоты в крови человека. Это осуществляется благодаря афферентной им-пульсации от проприорецепторов активно работающих мышц к моторным центрам и взаимодействию их с дыхательным центром.

43

Следовательно, импульсация от проприоре-цепторов выступает как фактор, организую­щий перестройку работы функциональной системы, поддерживающей оптимальный для метаболизма уровень рН внутренней среды и содержание О₂ и СО₂ с опережением.

Регуляция по опережению может реализо­ваться с помощью механизма условного реф­лекса. Показано, что у кондукторов товарных поездов в зимнее время резко нарастает про­изводство тепла по мере удаления от станции отправления, где кондуктор находился в теп­лой комнате. На обратном пути, по мере при-

ближения к станции, производство тепла в организме отчетливо снижается, хотя в обоих случаях кондуктор подвергается одинаково интенсивному охлаждению, а все физические условия отдачи тепла не меняются (А.Д.Сло-ним).

Благодаря динамической организации ре-гуляторных механизмов функциональные системы обеспечивают исключительную ус­тойчивость метаболических реакций орга­низма как в состоянии покоя, так и в состоя­нии его повышенной активности в среде обитания.

ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ ВОЗБУДИМЫХ ТКАНЕЙ

4.1. ОТКРЫТИЕ «ЖИВОТНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА* И ЕГО СУЩНОСТЬ

А. Наблюдение биоэлектрических явлений.

В конце XVITI в. (1786 г.) профессор анато­мии Болонского университета Луиджи Галь-вани провел ряд опытов, положивших начало целенаправленным исследованиям биоэлект­рических явлений. В первом опыте, подвеши­вая препарат обнаженных задних лапок лягу­шек с помощью медного крючка на железной решетке, Л.Гальвани обнаружил, что всякий раз при касании мышцами решетки они от­четливо сокращались. Л.Гальвани высказал предположение о том, что сокращение мышц является следствием воздействия на них электричества, источником которого высту­пают «животные ткани» — мышцы и нервы. Однако другой итальянский исследователь — физик и физиолог Вольта оспорил это заклю­чение. По его мнению, причиной сокраще­ния мышц был электрический ток, возни­кающий в области контакта двух разнород­ных металлов (медь и железо — гальваничес­кая пара) с тканями лягушки. С целью про­верки своей гипотезы Л.Гальвани поставил второй опыт, в котором нерв нервно-мышеч­ного препарата набрасывался на мышцу стеклянным крючком так, чтобы он касался поврежденного и неповрежденного ее участ­ков. В этом случае мышца также сокраща­лась. Второй опыт Л.Гальвани считается опытом, в котором были получены абсолютные доказательства существования «животного электричества».

Б. Регистрация биоэлектрических явлений впервые осуществлена с помощью гальвано­метра, одна из клемм которого присоединя­лась к поврежденному участку мышцы, дру­гая — к неповрежденному [Маттеучи, 1838], при этом стрелка гальванометра отклоня­лась. Размыкание цепи гальванометра со­провождалось возвращением стрелки гальва­нометра в прежнее (нулевое) положение. В настоящее время существует много раз­личных вариантов регистрации биоэлектри­ческих явлений, но их можно объединить в

две основные группы: по местоположению электродов (внутриклеточное и внеклеточ­ное отведения) и по числу отводящих элек­тродов (монополярное, биполярное, мульти-полярное отведения). Электроды могут быть металлическими и стеклянными. В случае монополярного отведения один электрод ак­тивный, второй — индифферентный, его площадь в десятки раз больше активного электрода. При внутриклеточном отведении применяется стеклянный микроэлектрод,ко­торый представляет собой микропипетку с диаметром кончика 0,5—1 мкм (рис. 4.1, 2). Микроэлектрод заполняется 3 М КС1. В ши­рокую часть микроэлектрода вставляется се­ребряная проволочка, соединяемая с реги­стрирующим устройством. Индифферент­ным внеклеточным электродом является хлорированная серебряная пластинка. При внутриклеточном отведении клетка способ­на функционировать в течение нескольких часов. Микроэлектродный способ регистра­ции биопотенциалов обеспечил изучение механизмов создания электрических зарядов клеткой, возникновения возбуждения в жи­вых клетках. Однако еще задолго до появ­ления микроэлектродной техники (конец XIX в.) стало ясно, что «животное электри­чество» обусловлено процессами, происхо­дящими на клеточной мембране (Герман, Дюбуа-Реймон, Бернштейн). В настоящее время достаточно хорошо изучены механиз­мы формирования мембранного потенциала покоя (ПП) и потенциала действия (ПД), т.е. процесса возбуждения клетки.

В. Сущность процесса возбуждения за­ключается в следующем. Все клетки орга­низма имеют электрический заряд, обеспе­чиваемый неодинаковой концентрацией анионов и катионов внутри и вне клетки. Различная концентрация анионов и катио­нов внутри и вне клетки является следстви­ем работы ионных насосов и неодинаковой проницаемости клеточной мембраны для разных ионов. Однако свойства мембран возбудимых клеток существенно отличаются от таковых невозбудимых клеток. При дей-

45

-80-

Рис. 4.1. Потенциал покоя возбудимой клетки (А) и схема его регистрации (Б).

! — клетка; 2 — микроэлектрод; 3 — регистрирующее уст­ройство.

ПОТЕНЦИАЛ ПОКОЯ (ПП)

. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЕПОСРЕДСТВЕННАЯ ПРИЧИНА ФОРМИРОВАНИЯ ПП

гщгзл /гокоя -ть электрических потенциалов между -той и внутренней сторонами клеточ-;мбраны. Его величина обычно варьи-

пределах 30—90 мВ (в волокнах ске-! мышцы — 60—90 мВ, в нервных клет-

50—80 мВ, в гладких мышцах — 30— , в сердечной мышце — 80—90 мВ). егистрации ПП луч осциллографа во

прокола мембраны клетки микро-одом скачком отклоняется и показы-■рицательный заряд внутри.

играет исключительно важную роль в хеятельности самой клетки и организ-елом, поскольку является основой для :новения возбуждения (потенциала ия), с помощью которого нервная сис-оспринимает и перерабатывает инфор-', регулирует деятельность внутренних ■в и опорно-двигательного аппарата ,ством запуска процессов возбуждения

и сокращения в мышце. Нарушение процес­сов возбуждения в кардиомиоцитах ведет к остановке сердца.

Согласно мембранно-ионной теории [Бернштейн, Ходжкин, Хаксли, Катц, 1902— 1952], непосредственной причиной формиро­вания ПП является неодинаковая концентра­ция анионов и катионов внутри и вне клетки (табл. 4.1).

Таблица 4.1. Внутри- и внеклеточные концент­рации ионов (ммольл~^!) в мышечных клетках го-мойотермных животных (А~ — высокомолекуляр­ные внутриклеточные анионы)

ствии раздражителя на клетку возбудимой ткани изменяется проницаемость ее мембра­ны (обычно сначала для Na⁺ и быстро воз­вращается к норме, затем для К⁺ и быстро возвращается к норме), вследствие чего ионы быстро перемещаются согласно эле­ктрохимическому градиенту (совокупность концентрационного и электрического гради-нтов) — это и есть процесс возбуждения, о основой является потенциал покоя выбранный потенциал).

концентрация		концентрация
Na^+	12	Na+	145
К^+ 155		К^+	4
Са^2+	10~^8-10~~^7	Са^2+	2
С1	4	а-	120-130
HCOJ ! 8		НСОз	27
А" 1 155		Прочие катионы / 5

В нервных и мышечных клетках концент­рация К⁺ внутри клетки в 30—40 раз больше, чем вне клетки; концентрация Na⁺ вне клет­ки в 10—12 раз больше, нежели в клетке. Ионов СГ вне клетки в 30—50 раз больше, чем внутри клетки. В клетке имеется неболь­шое количество ионов Mg²⁺. Кальцин в сво­бодном состоянии находится в основном вне клетки. Он содержится также в эндоплазма-тическом ретикулуме; в гиалошазме ело очень мало. Это обусловливается отчасти ак­тивным транспортом Са²⁺ наружу через кле­точную мембрану, отчасти поглощением его эндоплазматическим ретикулумом (это резе­рвуар для Са²⁺) и другими органеллами, на­пример митохондриями, связыванием Са²⁺ цитратом, глутаматом.

В клетке находятся также крупномолеку­лярные анионы; главным образом это отри­цательно заряженные белковые молекулы, например глутамат, аспартат, а также органи­ческие фосфаты. Различные ионы распреде­лены неравномерно по обе стороны клеточ­ной мембраны, во-первых, вследствие неоди­наковой проницаемости клеточной мембра­ны для различных ионов, во-вторых — в ре­зультате работы ионных насосов, транспор­тирующих ионы в клетку и из клетки вопре­ки концентрационному и электрическому градиентам.

4.2.2. РОЛЬ ПРОНИЦАЕМОСТИ КЛЕТОЧНОЙ МЕМБРАНЫ И ЕЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ ЗАРЯДОВ В ФОРМИРОВАНИИ ПП

А. Терминология. Проницаемость клеточной мембраны — это ее способность пропускать воду, незаряженные и заряженные частицы (ионы) согласно законам диффузии и фильт­рации. Проницаемость клеточной мембраны определяется следующими факторами: 1) на­личием в составе мембраны различных ион­ных каналов — управляемых (с воротным ме­ханизмом) и неуправляемых (каналов утеч­ки); 2) разменами каналов и размерами час­тиц; 3) растворимостью частиц в мембране (клеточная мембрана проницаема для раство­римых в ней липидов и непроницаема для пептидов).

Термин «проводимость» следует использо­вать только лишь применительно к заряжен­ным частицам. Следовательно, проводи­мость — это способность заряженных частиц (ионов) проходить через клеточную мембра­ну согласно электрохимическому градиенту,

Как известно, ионы, подобно незаряженным частицам, переходят через мембрану из области с высокой концентрацией в область с низкой кон­центрацией. При большом градиенте концентра­ции и хорошей проницаемости мембраны, разде­ляющей соответствующие растворы, проводи­мость ионов может быть высокой, при этом на­блюдается односторонний ток ионов. Если раз­ность концентраций ионов по обе стороны мем­браны снизится, то проводимость ионов также уменьшится, хотя проницаемость сохранится прежней — высокой. Кроме того, проводимость иона при неизменной проницаемости мембраны зависит и от заряда иона: одноименные заряды отталкиваются, разноименные — притягиваются. Возможна ситуация, когда при хорошей проница­емости мембраны проводимость ионов через мем­брану оказывается низкой или нулевой в случае отсутствия движущей силы — концентрационного и(или) электрического градиентов (их совокуп­ность называют электрохимическим градиентом).

Таким образом, проводимость иона зави­сит от его электрохимического градиента и от проницаемости мембраны: чем они больше, тем лучше проводимость иона через мембра­ну. Перемещения ионов в клетку и из клетки, согласно концентрационному и электричес­кому градиентам в состоянии покоя клетки, осуществляются преимущественно через не­управляемые (без воротного механизма) ка­налы, их называют также каналами утечки. Неуправляемые каналы всегда открыты, они практически не меняют своей пропускной способности при электрическом воздействии

на клеточную мембрану и ее возбуждении. Неуправляемые каналы подразделяются на ионоселективные каналы (например, калие­вые медленные неуправляемые каналы) и ио-нонеселективные каналы. Последние про­пускают различные ионы — К⁺, Na⁺, СГ.

Б. Роль проницаемости клеточной мембра­ны и различных ионов в формировании ПП. Na⁺ u K⁺ в покоящейся клетке перемещаются через мембрану согласно законам диффузии, при этом К⁺ из клетки выходит в значитель­но большем количестве, чем входит Na⁺ в клетку, поскольку проницаемость клеточной мембраны для К⁺ примерно в 25 раз больше проницаемости для Na⁺.

Органические анионы из-за своих больших размеров не могут выходить из клетки, поэ­тому внутри клетки в состоянии покоя отри­цательных ионов оказывается больше, чем положительных. По этой причине клетка из­нутри имеет отрицательный заряд. Интерес­но, что во всех точках клетки отрицательный заряд практически одинаков. Об этом свиде­тельствует одинаковая величина ПП при вве­дении микроэлектрода на разную глубину внутрь клетки, как это имело место в опытах Ходжкина, Хаксли и Катца. Гигантский аксон кальмара (его диаметр около 1 мм) в этом опыте находился в морской воде, один электрод вводился в аксон, другой помещали в морскую воду. Заряд внутри клетки являет­ся отрицательным как абсолютно (в гиало-плазме клетки содержится больше анионов, нежели катионов), так и относительно на­ружной поверхности клеточной мембраны. Однако превышение абсолютного числа анионов над числом катионов в клетке чрез­вычайно мало. Но этого различия достаточно для создания разности электрических потен­циалов внутри и вне клетки.

Главным ионом, обеспечивающим форми­рование ПП, является ион К⁺. Об этом сви­детельствуют результаты опыта с перфузией внутреннего содержимого гигантского аксо­на кальмара солевыми растворами. При уменьшении концентрации К⁺ в перфузате ПП уменьшается, при увеличении концент­рации К⁺ ПП увеличивается. В покоящейся клетке устанавливается динамическое равно­весие между числом выходящих из клетки и входящих в клетку ионов К⁺. Электрический и концентрационный градиенты противодей­ствуют друг другу: согласно концентрацион­ному градиенту К⁺ стремится выйти из клет­ки, отрицательный заряд внутри клетки и по­ложительный заряд наружной поверхности клеточной мембраны препятствуют этому. Когда концентрационный и электрический

47

зиенты уравновесятся, число выходящих клетки ионов К⁺ сравнивается с числом цящих ионов К⁺ в клетку. В этом случае клеточной мембране устанавливается так ываемый равновесный калиевый потен-л.

Равновесный потенциал для любого иона то рассчитать по формуле Нернста. Кон-трация положительно заряженного иона, одящегося снаружи, в формуле Нернста полагается в числителе, иона, находяще-\ внутри клетки, — в знаменателе. Для от-ательно заряженных ионов расположение тивоположное.

RT [>оп]_о

Zf [ion\i

E_im — потенциал, создаваемый данным ом; R — газовая постоянная (8,31 Дм);

- абсолютная температура (273+37 °С);

- валентность иона; F — постоянная Фа- гя (9,6510⁴); [ion], — концентрация иона три клетки inside; [ion]_o — концентрация а во внешней среде клетки (outside).

Три температуре 37 °С равновесный по-циал для К⁺ с учетом соотношения кон-трации его снаружи и изнутри (1/39) и ва-тности 1 равен —97 мВ. Однако реальный миоцита теплокровного животного не-лько меньше — около —90 мВ. Это объяс-тся тем, что в создании потенциала ПП нимают участие и другие ионы, хотя их ь менее значительна в сравнении с ролью :а К⁺. Равновесный потенциал для Na⁺ 2н +55 мВ. В целом ПП — это производное човесных потенциалов всех ионов, находя-:ся внутри и вне клетки и поверхностных ядов клеточной мембраны. Вклад Na⁺ и СГ в создание ПИ. Проницае­шь клеточной мембраны в покое для Na⁺ нь низкая — намного ниже, чем для К⁺, не менее она имеет место, поэтому ионы , согласно концентрационному и элект-ескому градиентам, стремятся и в неболь-Л количестве проходят внутрь клетки. Это ет к уменьшению ПП, так как на внешней ерхности клеточной мембраны суммарное ло положительно заряженных ионов ньшается, хотя и незначительно, а часть ицательных ионов внутри клетки нейтра-уется входящими в клетку положительно яженными ионами Na⁺. Вход Na⁺ внутрь тки уменьшает ПП. Что касается СГ, его яние на величину ПП противоположно янию Na⁺ и зависит от проницаемости точной мембраны для СГ (она в 2 раза ке, чем для К⁺). Дело в том, что СГ, со-:но концентрационному градиенту, стре-

мится и проходит в клетку. Концентрации ионов К⁺ и СГ близки между собой. Но СГ находится в основном вне клетки, а К⁺ — внутри клетки. Препятствует входу СГ в клетку электрический градиент, поскольку заряд внутри клетки отрицательный, как и заряд С\~. Наступает равновесие сил кон­центрационного градиента, способствующего входу СГ в клетку, и электрического гради­ента, препятствующего входу СГ в клетку. Поэтому внутриклеточная концентрация СГ равна всего лишь 5—10 ммоль/л, а вне клет­ки — 120—130 ммоль/л. При поступлении СГ внутрь клетки число отрицательных зарядов вне клетки несколько уменьшается, а внутри клетки увеличивается: СГ добавляется к крупным белковой природы анионам, нахо­дящимся внутри клетки. Эти анионы из-за своих больших размеров не могут пройти через каналы клеточной мембраны нару­жу клетки — в интерстиций. Таким образом, СГ, проникая внутрь клетки, увеличивает ПП. Частично, как и вне клетки, Na⁺ и СГ внутри клетки нейтрализуют друг друга. Вследствие этого совместное поступление Na⁺ и СГ внутрь клетки не сказывается су­щественно на величине ПП.

В. Роль поверхностных зарядов клеточной мембраны и ионов Са⁺ в формировании ПП. Наружная и внутренняя поверхности клеточ­ной мембраны несут собственные электри­ческие заряды, преимущественно с отрица­тельным знаком. Это полярные молекулы клеточной мембраны — гликолипиды, фос-фолипиды, гликопротеиды. Фиксированные наружные отрицательные заряды, нейтрали­зуя положительные заряды внешней поверх­ности мембраны, уменьшают ПП. Фиксиро­ванные внутренние отрицательные заряды клеточной мембраны, напротив, суммируясь с анионами внутри клетки, увеличивают ПП. Роль ионов Са в формировании ПП заклю­чается в том, что они взаимодействуют с на­ружными отрицательными фиксированными зарядами мембраны клетки и отрицательны­ми карбоксильными группами интерстиция и нейтрализуют их, что ведет к увеличению и стабилизации ПП.

Таким образом, ПП — это алгебраическая сумма не только всех зарядов ионов вне и внут­ри клетки, но также алгебраическая сумма отрицательных внешних и внутренних поверх­ностных зарядов самой мембраны. Роль про­ницаемости клеточной мембраны в проис­хождении ПП иллюстрируется на модельном опыте (рис. 4.2).

Сосуд разделен полупроницаемой мембра­ной. Обе его половины заполнены раствора-

Мембрана Ct \ C₂

Рис. 4.2. Модельный опыт, иллюстрирующий роль избирательной проницаемости мембраны для от­дельных ионов в формировании ПП.

1, 2 — электроды; 3 — регистратор. Маленькие кружки — ионы К⁺, большие — ионы SO*.

ми K₂SO₄ различной концентрации (С, и С₂), причем С]< С₂. Мембрана проницаема для К⁺ и непроницаема для SOJ*. Ионы К⁺ переме­щаются, согласно концентрационному гра­диенту, из раствора С₂ в раствор С,. Посколь­ку ионы SO4" не могут пройти в раствор С_ь где их концентрация тоже ниже, мембрана поляризуется и между двумя ее поверхностя­ми возникает разность электрических потен­циалов, соответствующая равновесному ка­лиевому потенциалу (Ек). В растворе С₂ оста­ется больше отрицательных зарядов, в рас­творе С, становится больше положительных зарядов.

При проведении измерений потенциал ок­ружающей клетку среды принимают за вели­чину, равную нулю. Относительно нулевого потенциала внешней среды потенциал внут­ренней среды клетки, как отмечалось выше, составляет величину порядка —60—90 мВ. Повреждение клетки приводит к повышению проницаемости клеточных мембран, в ре­зультате чего различие проницаемости для К⁺ и Na⁺ уменьшается; ПП при этом снижается. Подобные изменения встречаются при ише-

мии ткани, например миокарда. У сильно по­врежденных клеток ПП может снизиться до уровня доннановского равновесия, что нару­шает электрическую активность клеток орга­на в целом или его части. Однако и в норме происходит перемещение ионов согласно электрохимическому градиенту.

4.2.3. РОЛЬ ИОННЫХ НАСОСОВ В ФОРМИРОВАНИИ ПП

В результате непрерывного перемещения различных ионов через клеточную мембрану их концентрация внутри и вне клетки посте­пенно должна выравниваться. Однако, не­смотря на постоянную диффузию ионов (утечку ионов), ПП клеток остается на одном уровне. Следовательно, кроме собственных ионных механизмов формирования ПП, свя­занных с различной проницаемостью клеточ­ной мембраны, имеется активный механизм поддержания градиентов концентрации раз­личных ионов внутри и вне клетки. Им явля­ются ионные насосы, в частности Na/K-на-сос (помпа).

Ионный насос — транспортная система, обеспечивающая перенос иона с непосредст­венной затратой энергии вопреки концентра­ционному и электрическому градиентам. Если заблокировать освобождение энергии, например, динитрофенолом, в течение 1 ч выведение Na⁺ из клетки сократится пример­но в 100 раз. Как выяснилось, выведение Na⁺ сопряжено с транспортом К⁺, что можно продемонстрировать при удалении К⁺ из на­ружного раствора. Если К⁺ на наружной сто­роне мембраны нет, работа насоса блокиру­ется, перенос Na⁺ из клетки в этом случае па­дает, составляя примерно 30 % от нормаль­ного уровня. Сопряженность транспорта Na⁺ и К⁺ уменьшает расход энергии примерно в 2 раза по сравнению с той, которая потребо­валась бы при несопряженном транспорте. В целом траты энергии на активный транс­порт веществ огромны: лишь Na/K-насос по­требляет Ц всей энергии, расходуемой орга­низмом в покое. За 1 с один Na/K-насос (од­на молекула белка) переносит 150—600 ионов Na⁺. Накопление Na⁺ в клетке стимулирует работу Na/K-насоса, уменьшение Na⁺ в клет­ке снижает его активность, поскольку снижа­ется вероятность контакта ионов с соответст­вующим переносчиком. В результате сопря­женного транспорта Na⁺ и К⁺ поддерживается постоянная разность концентраций этих ионов внутри и вне клетки. Одна молекула АТФ обеспечивает один цикл работы Na/K-насоса — перенос трех ионов Na⁺ за пределы

клетки и двух ионов К⁺ внутрь клетки. Асим­метричный перенос ионов Na/K-насосом поддерживает избыток положительно заря­женных частиц на наружной поверхности клеточной мембраны и отрицательных заря­дов внутри клетки, что позволяет считать Na/K-насос структурой электрогенной, до­полнительно увеличивающей ПП примерно на 5—10 мВ (в среднем около 10 % у разных возбудимых клеток — у одних больше, у дру­гих меньше). Данный факт свидетельствует о том, что решающим фактором в формирова­нии ПП является селективная проницае­мость клеточной мембраны для разных ионов. Если уравнять проницаемость клеточ­ной мембраны для всех ионов, то ПП будет составлять только 5—10 мВ — за счет работы N/K-помпы.

Нормальная величина ПП является необ­ходимым условием, возникновения процесса возбуждения клетки, т.е. возникновения и распространения потенциала действия, ини­циирующего специфическую деятельность клетки.