kossitsky

тем самым существование разности потенциалов между поверхностью и содержимым клетки. Дальнейшее продвижение микроэлектрода внутри протоплазмы на положении луча осциллографа не сказывается. Это свидетельствует о том, что потенциал действительно локализуется на клеточной мембране.

При удачном введении микроэлектрода мембрана плотно охватывает его кончик и клетка сохраняет способность функционировать в течение нескольких часов, не проявляя признаков повреждения.

Существует множество факторов, меняющих потенциал покоя клеток: приложение электрического тока, изменение ионного состава среды, воздействие некоторых токсинов, нарушение кислородного снабжения ткани и т. д. Во всех тех случаях, когда внутренний потенциал уменьшается (становится менее отрицательным), говорят о деполяризации мембраны; противоположный сдвиг потенциала (увеличение отрицательного заряда внутренней поверхности клеточной мембраны) на-

зывают гиперполяризацией.

ПРИРОДА ПОТЕНЦИАЛА ПОКОЯ

Еще в 1896 г. В. Ю. Чаговец высказал гипотезу об ионном механизме электрических потенциалов в живых клетках и сделал попытку применить для их объяснения теорию электролитической диссоциации Аррениуса. В 1902 г. Ю. Бернштей-ном была развита мембранно-ионная теория, которую модифицировали и экспериментально обосновали Ходжкин, Хаксли и Катц (1949—1952). В настоящее время последняя теория пользуется всеобщим признанием. Согласно указанной теории, наличие электрических потенциалов в живых клетках

обусловлено неравенством концентрации ионов Na+, K+, Са2+ и С1~ внутри и вне клетки и

различной проницаемостью для них поверхностной мембраны.

Из данных табл. 1 видно, что содержимое нервного волокна богато К+ и органическими анионами (практически не проникающими через мембрану) и бедно Na+ и С1~.

Концентрация К+ в цитоплазме нервных и мышечных клеток в 40—50 раз выше, чем в наружном растворе, и если бы мембрана в покое была проницаема только для этих ионов, то потенциал покоя соответствовал бы равновесному калиевому потенциалу (Ек), рассчитанному по формуле Нернста:

где R — газовая постоянная, F — число Фарадея, Т — абсолютная температура, Ко — концентрация свободных ионов калия в наружном растворе, Ki — их концентрация в цитоплазме

21

Чтобы понять, каким образом возникает этот потенциал, рассмотрим следующий модельный опыт (рис. 2).

Представим сосуд, разделенный искусственной полупроницаемой мембраной. Стенки пор этой мембраны заряжены электроотрицательно, поэтому они пропускают только катионы и непроницаемы для анионов. В обе половины сосуда налит солевой раствор, содержащий ионы К+, однако их концентрация в правой части сосуда выше, чем в левой. Вследствие этого концентрационного градиента ионы К+ начинают диффундировать из правой половины сосуда в левую, принося туда свой положительный заряд. Это приводит к тому, что непроникающие анионы начинают скапливаться у мембраны в правой половине сосуда. Своим отрицательным зарядом они электростатически будут удерживать К+ у поверхности мембраны в левой половине сосуда. В результате мембрана поляризуется, и между двумя ее поверхностями создается разность потенциалов, соответствующая равновесному калиевому потенциалу

(£к).

Предположение о том, что в состоянии покоя мембрана нервных и мышечных

22

волокон избирательно проницаема для К+ и что именно их диффузия создает потенциал покоя, было высказано Бернштейном еще в 1902 г. и подтверждено Ходжкиным с сотр. в 1962 г. в опытах на изолированных гигантских аксонах кальмара. Из волокна диаметром около 1 мм осторожно выдавливали цитоплазму (аксоплазму) и спавшуюся оболочку заполняли искусственным солевым раствором. Когда концентрация К+ в растворе была близка к внутриклеточной, между внутренней и наружной сторонами мембраны устанавливалась разность потенциалов, близкая к значению нормального потенциала покоя (—50-=--- 80 мВ), и волокно проводило импульсы. При уменьшении внутриклеточной и повышении наружной концентрации К.+ потенциал мембраны уменьшался или даже изменялся его знак (потенциал становился положительным, если в наружном растворе концентрация К+ была выше, чем во внутреннем).

Такие опыты показали, что концентрированный градиент К+ действительно является основным фактором, определяющим величину потенциала покоя нервного волокна. Однако покоящаяся мембрана проницаема не только для К+, но (правда, в значительно меньшей степени) и для Na+. Диффузия этих положительно заряженных ионов внутрь клетки уменьшает абсолютную величину внутреннего отрицательного потенциала клетки, создаваемого диффузией К+. Поэтому потенциал покоя волокон (—50 - 70 мВ)

менее отрицателен, чем рассчитанный по формуле Нернста калиевый равновесный потенциал.

Ионы С1~ в нервных волокнах не играют существенной роли в генезе потенциала покоя, поскольку проницаемость для них покоящейся мембраны относительно мала. В отличие от этого в скелетных мышечных волокнах проницаемость покоящейся мембраны для ионов хлора сравнима с калиевой, и потому диффузия С1~ внутрь клетки увеличивает значение потенциала покоя. Рассчитанный хлорный равновесный потенциал (Еcl)

при соотношении

Таким образом, величина потенциала покоя клетки определяется двумя основными факторами: а) соотношением концентраций проникающих через покоящуюся поверхностную мембрану катионов и анионов; б) соотношением проницаемостей мембраны для этих ионов.

Для количественного описания этой закономерности используют обычно уравнение Гольдмана — Ходжкина — Катца:

где Em — потенциал покоя, Рк, PNa, Pcl — проницаемости мембраны для ионов К+, Na+ и С1~ соответственно; K0+ Na0+; Cl0- — наружные концентрации ионов К+, Na+ и Сl- a Ki+ Nai+ и Cli- — их внутренние концентрации.

Было рассчитано, что в изолированном гигантском аксоне кальмара при Em = —50 мВ имеется следующее соотношение между ионными проницаемостями покоящейся мембраны:

Рк:РNa:РCl = 1:0,04:0,45.

Уравнение дает объяснение многим наблюдаемым в эксперименте и в естественных условиях изменениям потенциала покоя клетки, например ее стойкой деполяризации при действии некоторых токсинов, вызывающих повышение натриевой проницаемости мембраны. К таким токсинам относятся растительные яды: вератридин, аконитин и один из наиболее сильных нейротоксинов — батрахотоксин, продуцируемый кожными железами колумбийских лягушек.

Деполяризация мембраны, как это следует из уравнения, может возникать и при неизменной PNA, если повысить наружную концентрацию ионов К+ (т. е. увеличить отношение Ko/Ki). Такое изменение потенциала покоя является отнюдь не только лабораторным феноменом. Дело в том, что концентрация К+ в межклеточной жидкости заметно повышается во время активации нервных и мышечных клеток, сопровождающейся повышением Рк. Особенно значительно возрастает концентрация К+ в межклеточной жидкости при нарушениях кровоснабжения (ишемия) тканей, например ишемии миокарда. Возникающая при этом деполяризация мембраны приводит к прекращению генерации потенциалов действия, т. е. нарушению нормальной электрической активности клеток.

23

РОЛЬ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ В ГЕНЕЗЕ И ПОДДЕРЖАНИИ ПОТЕНЦИАЛА ПОКОЯ (НАТРИЕВЫЙ НАСОС МЕМБРАНЫ)

Несмотря на то что потоки Na+ и К+ через мембрану в покое малы, разность концентраций этих ионов внутри клетки и вне ее должна была бы в конечном итоге выровняться, если бы в клеточной мембране не существовало особого молекулярного устройства — «натриевого насоса», которое обеспечивает выведение («выкачивание») из цитоплазмы проникающих в нее Na+ и введение («нагнетание») в цитоплазму К+. Натриевый насос перемещает Na+ и К+ против их концентрационных градиентов, т. е. совершает определенную работу. Непосредственным источником энергии для этой работы является богатое энергией (макроэргическое) соединение — аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), являющаяся универсальным источником энергии живых клеток. Расщепление АТФ производится макромолекулами белка — ферментом аденозинтрифосфатазой (АТФ-азой), локализованной в поверхностной мембране клетки. Энергия, выделяющаяся при расщеплении одной молекулы АТФ, обеспечивает выведение из клетки трех ионов Na+ взамен на два иона К+, поступающих в клетку снаружи.

Торможение активности АТФ-азы, вызываемое некоторыми химическими соединениями (например, сердечным гликозидом уабаином), нарушает работу насоса, вследствие чего клетка теряет К+ и обогащается Na + . К такому же результату приводит торможение окислительных и гликолитических процессов в клетке, обеспечивающих синтез АТФ. В эксперименте это достигается при помощи ядов, ингибирующих указанные процессы. В условиях нарушения кровоснабжения тканей, ослабления процесса тканевого дыхания происходит угнетение работы электрогенного насоса и как следствие накопление К+ в межклеточных щелях и деполяризация мембраны.

Роль АТФ в механизме активного транспорта Na+ прямо доказана в опытах на гигантских нервных волокнах кальмара. Было установлено, что путем введения внутрь волокна АТФ можно временно восстановить работу натриевого насоса, нарушенную ингибитором дыхательных ферментов цианидом.

Первоначально полагали, что натриевый насос электронейтрален, т. е. число обмениваемых ионов Na+ и К+ равно. В дальнейшем выяснилось, что на каждые три иона Na+, выводимые из клетки, в клетку поступает только два иона К+. Это означает, что насос электрогенен: он создает на мембране разность потенциалов, суммирующуюся с потенциалом покоя.

Этот вклад натриевого насоса в нормальную величину потенциала покоя у различных клеток не одинаков: он, по-видимому, незначителен в нервных волокнах кальмара, но существен для потенциала покоя (составляет около 25% от полной величины) в гигантских нейронах моллюсков, гладких мышцах.

Таким образом, в формировании потенциала покоя натриевый насос играет двоякую роль: 1) создает и поддерживает трансмембранный градиент концентраций Na+ и К+; 2) генерирует разность потенциалов, суммирующуюся с потенциалом, создаваемым диффузией К+ по концентрационному градиенту.

ПОТЕНЦИАЛ ДЕЙСТВИЯ

Потенциалом действия называют быстрое колебание мембранного потенциала, возникающее при возбуждении нервных, мышечных и некоторых других клеток. В его основе лежат изменения ионной проницаемости мембраны. Амплитуда и характер временных изменений потенциала действия мало зависят от силы вызывающего его раздражителя, важно лишь, чтобы эта сила была не меньше некоторой критической величины, которая называется порогом раздражения. Возникнув в месте раздражения, потенциал действия распространяется вдоль нервного или мышечного волокна, не изменяя своей амплитуды. Наличие порога и независимость амплитуды потенциала действия от силы вызвавшего его стимула получили название закона «все или ничего».

24

В естественных условиях потенциалы действия генерируются в нервных волокнах при раздражении рецепторов или возбуждении нервных клеток. Распространение потенциалов действия по нервным волокнам обеспечивает передачу информации в нервной системе. Достигнув нервных окончаний, потенциалы действия вызывают секрецию химических веществ (медиаторов), обеспечивающих передачу сигнала на мышечные или нервные клетки. В мышечных клетках потенциалы действия инициируют цепь процессов, вызывающих сократительный акт. Ионы, проникающие в цитоплазму во время генерации потенциалов действия, оказывают регулирующее влияние на метаболизм клетки и, в частности, на процессы синтеза белков, составляющих ионные каналы и ионные насосы.

Для регистрации потенциалов действия используют внеили внутриклеточные электроды. При внеклеточном отведении электроды подводят к наружной поверхности волокна (клетки). Это позволяет обнаружить, что поверхность возбужденного участка на очень короткое время (в нервном волокне на тысячную долю секунды) становится заряженной отрицательно по отношению к соседнему покоящемуся участку.

Использование внутриклеточных микроэлектродов позволяет количественно охарактеризовать изменения мембранного потенциала во время восходящей и нисходящей фаз потенциала действия. Установлено, что во время восходящей фазы (фаза деполяризации) происходит не просто исчезновение потенциала покоя (как это первоначально предполагали), а возникает разность потенциалов обратного знака: внутреннее содержимое клетки становится заряженным положительно по отношению к наружной среде, иными словами, происходит реверсия мембранного потенциала. Во время нисходящей фазы (фазы реполяризации) мембранный потенциал возвращается к своему исходному значению. На рис. 3 и 4 приведены примеры записей потенциалов действия в скелетном мышечном волокне лягушки и гигантском аксоне кальмара. Видно, что в момент достижения вершины (пика) мембранный потенциал составляет + 30 / + 40 мВ и пиковое колебание сопровождается длительными следовыми изменениями мембранного потенциала, после чего мембранный потенциал устанавливается на исходном уровне. Длительность пика потенциала действия у различных нервных и скелетных мышечных волокон варьи-

25

Рис. 5. Суммация следовых потенциалов в диафрагмальном нерве кошки при кратковременном его раздражении ритмическими импульсами.

Восходящая часть потенциала действия не видна. Записи начинаются с отрицательных следовых потенциалов ( а ) , переходящих в положительные потенциалы (б ). Верхняя кривая — ответ на одиночное раздражение. С увеличенем частоты стимуляции (о т 10 до 250 в 1 с) следовой положительный потенциал (с ледовая гиперполяризация) резко возрастает.

рует от 0,5 до 3 мс, причем фаза реполяризации продолжительнее фазы деполяризации. Длительность потенциала действия, особенно фазы реполяризации, находится в тесной

зависимости от температуры: при охлаждении на 10 °С продолжительность пика увеличивается примерно в 3 раза.

Изменения мембранного потенциала, следующие за пиком потенциала действия,

называют следовыми потенциалами.

Различают два вида следовых потенциалов — следовую деполяризацию и следовую гиперполяризацию. Амплитуда следовых потенциалов обычно не превышает нескольких милливольт (5—10% от высоты пика), а длительность их у различных волокон составляет от нескольких миллисекунд до десятков и сотен секунд.

Зависимость пика потенциала действия и следовой деполяризации может быть рассмотрена на примере электрического ответа скелетного мышечного волокна. Из записи, приведенной на рис. 3, видно, что нисходящая фаза потенциала действия (фаза реполяризации) делится на две неравные части. Вначале падение потенциала происходит быстро, а затем сильно замедляется. Этот медленный компонент нисходящей фазы потенциала действия называют следовой деполяризацией.

Пример следовой гиперполяризации мембраны, сопровождающей пик потенциала действия в одиночном (изолированном) гигантском нервном волокне кальмара, показан на рис. 4. В этом случае нисходящая фаза потенциала действия непосредственно переходит в фазу следовой гиперполяризации, амплитуда которой в данном случае достигает 15 мВ. Следовая гиперполяризация характерна для многих безмякотных нервных волокон холоднокровных и теплокровных животных. В миелинизированных нервных волокнах следовые потенциалы имеют более сложный характер. Следовая деполяризация может переходить в следовую гиперполяризацию, затем иногда возникает новая деполяризация, лишь после этого происходит полное восстановление потенциала покоя. Следовые потенциалы в значительно большей мере, чем пики потенциалов действия, чувствительны к изменениям исходного потенциала покоя, ионного состава среды, кислородного снабжения волокна и т. д.

Характерная особенность следовых потенциалов — их способность изменяться в процессе ритмической импульсации (рис. 5).

ИОННЫЙ МЕХАНИЗМ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ПОТЕНЦИАЛА ДЕЙСТВИЯ

В основе потенциала действия лежат последовательно развивающиеся во времени изменения ионной проницаемости клеточной мембраны.

Как отмечалось, в состоянии покоя проницаемость мембраны для калия превышает ее проницаемость для натрия. Вследствие этого поток К.+ из цитоплазмы во внешний раствор превышает противоположно направленный поток Na+. Поэтому наружная сторона мембраны в покое имеет положительный потенциал по отношению к внутренней.

При действии на клетку раздражителя проницаемость мембраны для Na+ резко повышается и в конечном итоге становится примерно в 20 раз больше проницаемости для К+. Поэтому поток Na+ из внешнего раствора в цитоплазму начинает превышать

26

направленный наружу калиевый ток. Это приводит к изменению знака (реверсии) мембранного потенциала: внутреннее содержимое клетки становится заряженным положительно по отношению к ее наружной

(фаза деполяризации).

Повышение проницаемости мембраны для Na+ продолжается лишь очень короткое время. Вслед за этим проницаемость мембраны для Na+ вновь понижается, а для К+ возрастает.

Процесс, ведущий к понижению ранее Рис. 6. Временной ход изменений натриевой (gNa)

увеличенной натриевой проницаемости и калиевой (gк) проницаемости мембраны гигант- мембраны, назван натриевой инактивацией. ского аксона кальмара во время генерации потен-

В результате инактивации поток Na+ внутрь циала действия (V).

цитоплазмы резко ослабляется. Увеличение же калиевой проницаемости вызывает усиление потока К+ из цитоплазмы во внешний раствор. В итоге этих двух процессов и происходит реполяризация мембраны: внутреннее содержимое клетки вновь приобретает отрицательный заряд по отношению к наружному раствору. Этому изменению потенциала соответствует нисходящая фаза потенциала действия (фаза реполяри-зации).

Одним из важных аргументов в пользу натриевой теории происхождения потенциалов действия был факт тесной зависимости его амплитуды от концентрации Na+ во внешнем растворе. Опыты на гигантских нервных волокнах, перфузируемых изнутри солевыми растворами, позволили получить прямое подтверждение правильности натриевой теории. Установлено, что при замене аксоплазмы солевым раствором, богатым К+, мембрана волокна не только удерживает нормальный потенциал покоя, но в течение длительного времени сохраняет способность генерировать сотни тысяч потенциалов действия нормальной амплитуды. Если же К+ во внутриклеточном растворе частично заменить на Na+ и тем самым снизить градиент концентрации Na+ между наружной средой и внутренним раствором, амплитуда потенциала действия резко понижается. При полной замене К+ на Na+ волокно утрачивает способность генерировать потенциалы действия.

Эти опыты не оставляют сомнения в том, что поверхностная мембрана действительно является местом возникновения потенциала как в покое, так и при возбуждении. Становится очевидным, что разность концентраций Na+ и К+ внутри и вне волокна является источником электродвижущей силы, обусловливающей возникновение потенциала покоя и потенциала действия.

На рис. 6 показаны изменения натриевой и калиевой проницаемости мембраны во время генерации потенциала действия в гигантском аксоне кальмара. Аналогичные отношения имеют место в других нервных волокнах, телах нервных клеток, а также в скелетных мышечных волокнах позвоночных животных. В скелетных мышцах ракообразных животных и гладких мышцах позвоночных в генезе восходящей фазы потенциала действия ведущую роль играют ионы Са2+. В клетках миокарда начальный подъем потенциала действия связан с повышением проницаемости мембраны для Na+, а плато потенциала действия обусловлено повышением проницаемости мембраны и для ионов Са2+.

ОПРИРОДЕ ИОННОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ МЕМБРАНЫ. ИОННЫЕ КАНАЛЫ

Воснове рассмотренных изменений ионной проницаемости мембраны при генерации потенциала действия лежат процессы открывания и закрывания специализированных

ионных каналов в мембране, обладающих двумя важнейшими свойствами: 1) избирательностью (селективностью) по отношению к определенным ионам; 2) электровозбуди-

27

мостью, т. е. способностью открываться и закрываться в ответ на изменения мембранного потенциала. Процесс открывания и закрывания канала имеет вероятностный характер (мембранный потенциал лишь определяет вероятность нахождения канала в открытом или закрытом состоянии).

Так же как ионные насосы, ионные каналы образованы макромолекулами белков, пронизывающими липидный бислой мембраны. Химическая структура этих макромолекул еще на расшифрована, поэтому представления о функциональной организации каналов строятся пока главным образом косвенно — на основании анализа данных, полученных при исследованиях электрических явлений в мембранах и влияния на каналы различных химических агентов (токсинов, ферментов, лекарственных веществ и т. д.). Принято считать, что ионный канал состоит из собственно транспортной системы и так называемого воротного механизма («ворот»), управляемого электрическим полем мембраны. «Ворота» могут находиться в двух положениях: они полностью закрыты или полностью открыты, поэтому проводимость одиночного открытого канала — постоянная величина. Суммарная проводимость мембраны для того или иного иона определяется числом одновременно открытых каналов, проницаемых для данного иона.

Это положение может быть записано следующим образом:

где gi — суммарная проницаемость мембраны для внутриклеточного иона; N — общее число соответствующих ионных каналов (в данном участке мембраны); а - -доля открытых каналов; у — проводимость одиночного канала.

По своей селективности электровозбудимые ионные каналы нервных и мышечных клеток подразделяются на натриевые, калиевые, кальциевые, хлорные. Селективность эта не абсолютная: название канала указывает лишь ион, для которого данный канал наиболее проницаем.

Через открытые каналы ионы движутся по концентрационному и электрическому градиентам. Эти потоки ионов приводят к изменениям мембранного потенциала, что в свою очередь изменяет среднее число открытых каналов и соответственно величину ионных токов и т. д. Такая круговая связь важна для генерации потенциала действия, но она делает невозможным количественную оценку зависимости ионных проводимостей от величины генерируемого потенциала. Для изучения этой зависимости применяется «метод фиксации потенциала». Сущность данного метода состоит в насильственном поддержании мембранного потенциала на любом заданном уровне. Так, подавая на мембрану ток, равный по величине, но обратный по знаку ионному току, проходящему через открытые каналы, и измеряя этот ток при различных потенциалах, исследователи получают возможность проследить зависимость потенциала от ионных проводимостей мем-

Рис.7. Временной ход изменений натриевой (gNa) и калиевой (gK) проницаемости мембраны при деполяризации мембраны аксона на 56 мВ.

а — сплошные линии показывают проницаемость при длительной деполяризации, а пунктирные — при реполяризации мембраны через 0,6 и 6,3 мс; б зависимость пиковой величины натриевой (gNa) и стационарного уровня калиевой ( gK) проницаемости от мембранного потенциала.

28

Рис. 8. Схематическое изображение электровозбудимого натриевого канала.

Канал ( 1 ) образован макромолекулой белка 2 ) , суженная часть которого соответствует «селективному фильтру». В канале имеются активационные (m) и инактивационпые (h) «ворота», которые управляются электрическим полем мембраны. При потенциале покоя ( а ) наиболее вероятным является положение «закрыто» для активационных ворот и положение «открыто» для инактивационных. Деполяризация мембраны ( б ) приводит к быстрому открыванию т-«ворот» и медленному закрыванию h-«ворот», поэтому в начальный момент деполяризации обе пары «ворот» оказываются открытыми и через канал могут двигаться ионы в соответствии с их концентрационными и электрическими градиентами. При продолжающейся деполяризации ( и ) инактивационные «ворота» закрываются и канал переходит в состояние инактивации.

браны. Чтобы из общего ионного тока, протекающего через мембрану, выделить его компоненты, соответствующие потокам ионов, например, через натриевые каналы, используют химические агенты, специфически блокирующие все другие каналы. Соответственным образом поступают при измерениях калиевого или кальциевого токов.

На рис. 7 показаны изменения натриевой (gNa) и калиевой (gK) проницаемости мембраны нервного волокна во время фиксированной деполяризации. Как отмечалось, величины gNa и gK отражают число одновременно открытых натриевых или калиевых каналов. Как видно, gNa быстро, за доли миллисекунды, достигла максимума, а затем медленно начала снижаться до исходного уровня. После окончания деполяризации способность натриевых каналов вновь открываться постепенно восстанавливается в течение десятков миллисекунд.

Для объяснения такого поведения натриевых каналов высказано предположение о существовании в каждом канале двух типов «ворот»

— быстрых активационных и медленных инактивационных. Как следует из названия, начальный подъем gNa связан с открыванием активационных ворот («процесс активации»), последующее падение gNa, во время продолжающейся деполяризации мембраны, --с закрыванием инактивационных ворот («процесс инактивации»).

На рис. 8, 9 схематически изображена организация натриевого канала, облегчающая понимание его функций. Канал имеет наружное и внутреннее расширения («устья») и короткий суженный участок, так называемый селективный фильтр, в котором происходит «отбор» катионов по их размеру и свойствам. Судя по размеру наибольшего проникающего через натриевый канал катиона, отверстие фильтра не меньше 0,3—0,5

нм. При прохождении через фильтр рис. 9. Состояние натриевых и калиевых ка-ионы Na+ теряют часть своей гидратной оболочки. налов в различные фазы потенциалов дей-Активационные (т) и инактивационные (h) «вороствия (схема). Объяснение в тексте.

29

та* расположены в области внутреннего конца натриевого канала, причем «ворота» h обращены в сторону цитоплазмы. К такому заключению пришли на основании того факта, что приложение некоторых протеолитических ферментов (проназы) к внутренней стороне мембраны приводит к устранению натриевой инактивации (разрушает h-«ворота»).

В состоянии покоя «ворота» т закрыты, тогда как «ворота» h открыты. При деполяризации в начальный момент «ворота» т и h открыты — канал находится в проводящем состоянии. Затем инактивационные ворота закрываются — канал инактивируется. После окончания деполяризации «ворота» h медленно открываются, а «ворота» т быстро закрываются и канал возвращается в исходное покоящееся состояние.

Специфическим блокатором натриевых каналов является тетродотоксин,— соединение, синтезируемое в тканях некоторых видов рыб и саламандр. Это соединение входит в наружное устье канала, связывается с какими-то пока неидентифицированными химическими группами и «закупоривает» канал. Используя радиоактивно меченный тетродотоксин, подсчитали плотность натриевых каналов в мембране. У различных клеток эта плотность варьирует от десятков до десятков тысяч натриевых каналов на квадратный микрон мембраны.

Функциональная организация калиевых каналов сходна с таковой натриевых каналов, различия лишь в их селективности и кинетике процессов активации и инактивации. Селективность калиевых каналов выше селективности натриевых: для Na+ калиевые каналы практически непроницаемы; диаметр их селективного фильтра около 0,3 нм. Активация калиевых каналов имеет примерно на порядок более медленную кинетику, чем активация натриевых каналов (см. рис. 7). На протяжении 10 мс деполяризации gK не обнаруживает тенденции к инактивации: калиевая инактивация развивается только при многосекундной деполяризации, мембраны.

Следует подчеркнуть, что такие соотношения между процессами активации и инактивации калиевых каналов характерны только для нервных волокон. В мембране многих нервных и мышечных клеток существуют калиевые каналы, которые сравнительно быстро инактивируются. Обнаружены также быстро активирующиеся калиевые каналы. Наконец, существуют калиевые каналы, которые активируются не мембранным потенциалом, а внутриклеточным Са2+.

Калиевые каналы блокируются органическим катионом тетраэтиламмонием, а также аминопиридинами.

Кальциевые каналы характеризуются медленной кинетикой процессов активации (миллисекунды) и инактивации (десятки и сотни миллисекунд). Их селективность определяется наличием в области наружного устья каких-то химических групп, обладающих повышенным сродством к двухвалентным катионам: Са2+ связывается с этими группами и только после этого проходит в полость канала. Для некоторых двухвалентных катионов сродство к указанным группам настолько велико, что, связываясь с ними, они блокируют движение Са2+ через канал. Так действует Мn2+. Кальциевые каналы могут быть блокированы также некоторыми органическими соединениями (верапамил, нифедипин), используемыми в клинической практике для подавления повышенной электрической активности гладких мышц.

Характерная особенность кальциевых каналов — их зависимость от метаболизма и, в частности, от циклических нуклеотидов (цАМФ и цГМФ), регулирующих процессы фосфорилирования и дефосфорилирования белков кальциевых каналов.

Скорость процессов активации и инактивации всех ионных каналов увеличивается с возрастанием деполяризации мембраны; соответственно увеличивается до некоторой предельной величины число одновременно открытых каналов.

МЕХАНИЗМЫ ИЗМЕНЕНИЯ ИОННОЙ ПРОВОДИМОСТИ ВО ВРЕМЯ ГЕНЕРАЦИИ ПОТЕНЦИАЛА ДЕЙСТВИЯ

Известно, что восходящая фаза потенциала действия связана с повышением натриевой проницаемости. Процесс повышения gNa развивается следующим образом.

30