61 :: Содержание

3.5.4. Чувствительность к рН

Фермент-субстратный комплекс часто образуется при участии ионных связей. Поскольку в роли про-тивоионов для ионсвязывающих центров могут выступать Н+ и ОН-, понижение рН приводит к увеличению числа свободных катионных центров в молекуле фермента, способных взаимодействовать с отрицательно заряженными группами субстрата. И наоборот, повышение рН облегчает связывание положительно заряженных групп субстрата с анионными центрами фермента. Этим объясняется тот факт, что активность фермента зависит от рН среды (рис. 3-16) и практически каждый фермент имеет свой оптимальный диапазон рН.

Рис, 3.16. рН-Зависимостъ ферментативной активности для разных

ферментов. (Lehninger, 1975.) 61

61 :: Содержание

61 :: 62 :: Содержание

3.5.5. Регуляция ферментативной активности

Регуляция активности некоторых ферментов осуществляется с помощью регуляторных молекул, или эффекторов, которые взаимодействуют с участком молекулы фермента, расположенным вне активного центра. Этот участок на поверхности фермента, называемый аллостерическим центром, связывается с молекулой эффектора, что сопровождается деформацией третичной структуры фермента. Деформация приводит к искажению конформации активного центра (рис. 3-17), в результате чего уменьшается (а в некоторых случаях увеличивается) сродство между ферментом и субстратом. Ферменты с аллостерической регуляцией участвуют в ключевых метаболических реакциях, и регуляция их активности очень важна. Аллостерическая регуляция характерна для метаболического ингибирования по типу обратной связи (разд. 3.6.3).

Рис. 3.15. Температурная зависимость скорости ферментативной реакции.

61

Рис. 3.17. А. Молекула аллостерического эффектора, деформируя третичную структуру, изменяет конформацию активного центра фермента так, что происходит его инактивация. Этот механизм характерен для неконкурентных ингибиторов. Б. Аллостерический эффектор, напротив, стерически активирует каталитический центр. Здесь S-субстрат, Е-фермент, М-эффектор.

Другим ферментам в качестве кофакторов требуются одноили двухвалентные ионы металлов; при этом обычно наблюдается высокая ионная избирательность. Некоторые ферменты, активируемые ионами, указаны в табл. 3-4 вместе со своими ионами-кофакторами. Особого упоминания заслуживает ион кальция, который отличается от большинства других распространенных и важных в физиологическом отношении ионов тем, что его концентрация в клетке очень мала (менее 10-6 М). Другие ионы, например Mg2+, Na+, К+и Сl-, обычно присутствуют в клетке в избыточных концентрациях, а содержание Са 2+ относительно некоторых ферментов является лимитирующим. Концентрация Са2++ в цитоплазме регулируется наружной мембраной и внутриклеточными органеллами, в том числе митохондриями (см. гл. 9). Таким способом клетка может регулировать активность Са2+-зависимых ферментов. К физиологическим процессам, регулируемым ионами кальция, относятся мышечное сокращение, секреция нейромедиаторов и гормонов, активность ресничек, самосборка микротрубочек и амебоидное движение.

62

61 :: 62 :: Содержание

62 :: Содержание

3.5.6. Кофакторы

Как мы уже отмечали, некоторые ферменты проявляют свою каталитическую активность лишь совместно с малыми молекулами небелковой природы, называемыми кофакторами. В этом случае белковую часть фермента называют апоферментом. Один класс кофакторов составляют малые органические молекулы -коферменты, которые активируют соответствующие апоферменты, акцептируя атомы водорода или протоны от ES. Например, ферменту глутаматдегидрогеназе требуется кофермент NAD (никотинамидадениндинуклеотид), который отщепляет атом водорода от глутамата:

Многие коферменты являются производными витаминов. Поскольку апоферменты не функционируют без своих коферментов, неудивительно, что недостаток витаминов может приводить к серьезным последствиям.

Т а б л и ц а 3 - 4 . Некоторые ферменты и эффекторы, требующие или содержащие в качестве кофакторов ионы металлов (Lehninger, 1975)

62

62 :: Содержание

Рис. 3.19. Кинетические кривые нулевого (А) и первого (Б) порядков в координатах, дающих линейную зависимость от времени. Здесь х-количество субстрата А, прореагировавшего за время t, а-исходное количество А в момент времени t = 0. Обратите внимание на то, что график кинетики первого порядка представлен в полулогарифмических координатах, в которых прямая линия отвечает экспоненциальной временной зависимости.

скорость расходования А прямо пропорциональна произведению [А] [В]:

Такая реакция протекает согласно кинетике второго порядка.

Следует отметить, что порядок реакции не определяется числом разновидностей субстрата, участвующих в реакции, а лишь теми из них, концентрация которых лимитирует скорость реакции. Так, если концентрация компонента В много больше концентрации А, реакция А + В → Р превратится в реакцию первого порядка, поскольку скорость реакции лимитируется концентрацией лишь одного субстрата.

Скорость реакции не будет зависеть от концентрации субстрата, если лимитирующей является концентрация фермента и все молекулы фермента находятся в комплексе с субстратом (т.е. если произошло насыщение фермента). Такие реакции протекают согласно кинетике нулевого порядка (рис. 3-19, А).

Если построить график зависимости начальной скорости v0 реакции S → Р от концентрации субстрата [S] при постоянной концентрации фермента, то мы увидим, что в области малых концентраций имеет место реакция первого порядка (т. е. v0 [S]).

63

Рис. 3.20.

При постоянной концентрации фермента начальная скорость v 0 реакции S→Р

линейно возрастает с увеличением концентрации субстрата; далее происходит насыщение фермента субстратом, и, начиная с какого-то значения [S], скорость реакции лимитируется величиной [E].

При более высоких концентрациях субстрата, однако, она переходит постепенно в реакцию нулевого порядка, поскольку весь фермент насыщается субстратом и v0 лимитируется в конечном счете концентрацией фермента, а не субстрата (рис. 3-20). В живой клетке протекают самые разные в кинетическом отношении реакции, в том числе реакции смешанного порядка.

64

63 :: 64 :: Содержание

В координатах (1/v0; 1/[S]) график этой зависимости является прямой с

наклоном Kм/Vmax, которая пересекает оси 1/v0 и 1/[S] в точках 1/Vmax и - 1/Км (рис. 3-22). Таким образом, для построения графика достаточно знать лишь Vmax

и определить v0 для какого-либо значения [S]. Найдя точку пересечения прямой с осью абсцисс, получим Км.

Рис. 3.22.

График Лайнуивера-Бэрка, представляющий зависимость обратной скорости реакции 1/v0 от обратной концентрации субстрата 1/[S]. Прямая пересекает ось

абсцисс в точке -1/[S] = - 1/Км, а ось ординат - в точке 1/v0 = 1/Vmax (Рапоп. 1965.)

Следует отметить, что модель Михаэлиса - Мен-тен не ограничивается случаем фермент-субстратных взаимодействий, но может применяться (а часто и применяется) к любой системе, для которой характерна гиперболическая зависимость скорости реакции при стремлении к насыщению, подобная той, что изображена на рис. 3-20. Пример такого рода приведен на рис. 4-27.

65

64 :: 65 :: Содержание

Рис. 3.23. Конкурентный ингибитор связывается с активным

центром фермента, препятствуя тем самым связыванию субстрата. Он может вытесняться молекулой субстрата.

экстраполяцию к бесконечной концентрации субстрата (т.е. к точке 1/[S] = 0), то окажется, что скорость реакции не зависит от присутствия конкурентного ингибитора. Это объясняется тем, что по мере увеличения концентрации субстрата последний все более успешно конкурирует с ингибитором за активный центр и в конце концов полностью вытесняет ингибитор в гипотетической ситуации при бесконечной концентрации субстрата. Зная длину отрезка, отсекаемого прямой от оси 1/[S], мы можем найти константу Км. Из рисунка видно, что последняя растет по мере увеличения концентрации [I] конкурентного ингибитора. Это просто означает, что в присутствии конкурентного ингибитора требуется большая концентрация субстрата для того, чтобы в начальном периоде реакции половина всех молекул фермента находилась в комплексе с субстратом. Этот эффект выражен тем сильнее, чем больше [I]. Чем прочнее ингибитор связывается с ферментом (т. е. чем меньше константа диссоциации KI комплекса фермент-ингибитор), тем большая концентрация субстрата требуется для того, чтобы вытеснить соответствующую долю ингибитора из комплекса с ферментом.

В присутствии неконкурентных ингибиторов также наблюдается увеличение наклона прямой на графике Лайнуивера-Бэрка (рис. 3-24, Б), однако этот эффект сопровождается уменьшением скорости реакции при бесконечной концентрации субстрата. На графике это уменьшение выражается в увеличении ординаты точки пересечения прямой с осью l/v0. Эти кинетические эффекты объясняются тем,

Рис. 3.24.

Графики Лайнуивера-Бэрка для случая конкурентного (А) и неконкурентного (Б) ингибирования. Видно, что Км завиаип от концентрации конкурентного ингибитора.

Кинетический эффект от присутствия неконкурентного ингибитора эквивалентен уменьшению концентрации фермента, что никак не сказывается на величине Км.

Здесь I-ингибитор, S-субстрат, KI-константа диссоциации комплекса фермент-

ингибитор. (Lehninger, 1975.)

что повышение концентрации субстрата не приводит к уменьшению концентрации неконкурентного ингибитора на аллостерических центрах фермента. Данная ситуация эквивалентна полному выведению из оборота тех молекул фермента, которые ассоциированы с ингибитором. При этом прямые пересекают ось 1/[S] в одной и той же точке независимо

66

от того, есть или нет в системе неконкурентный ингибитор, т.е. присутствие последнего никак не сказывается на величине Км фермент-субстратного комплекса. Как мы только что отмечали, эффект, вызванный присутствием неконкурентного ингибитора, эквивалентен уменьшению концентрации фермента. Поэтому неудивительно, что Км фермент-субстратного комплекса

остается неизменным при добавлении неконкурентного ингибитора, потому что Км не зависит от [Е].

67

65 :: 66 :: 67 :: Содержание

67 :: 68 :: Содержание

3.6. Механизмы регуляции метаболизма

Если бы отсутствовала регуляция скоростей реакций, метаболизм в клетке осуществлялся бы внутренне несогласованно и был неуправляем. Рост, дифференцировка и функционирование организма были бы невозможны, не говоря уже о компенсаторной реакции биологических систем в ответ на внешние раздражители. Регуляция осуществляется в основном путем изменения концентрации и активности различных ферментов, которые катализируют практически все биохимические реакции. Ниже мы рассмотрим три основных типа регуляции метаболизма.

3.6.1. Генетическая регуляция синтеза ферментов

Концентрация фермента в клетке определяется соотношением скоростей его синтеза и разрушения. Молекулы фермента денатурируют при повышении

температуры и расщепляются под воздействием протеолитических ферментов. Скорость синтеза может снижаться при определенных обстоятельствах, например при недостаточном питании или при нехватке предшественников аминокислот, но в нормальных условиях скорость синтеза любого фермента регулируется посредством генетических механизмов регуляции. Структурные гены (т.е. сегменты молекулы ДНК, кодирующие аминокислотные последовательности одной или нескольких полипептидных цепей, из которых состоит молекула фермента) могут "выключаться" при помощи белковрепрессоров, которые кодируются генами-регуляторами. Молекула репрессора препятствует транскрипции структурного гена с ДНК в РНК, связываясь с геном еще одного типа, так называемым оператором. Последний контролирует транскрипцию с образованием матричной (информационной) РНК одного или нескольких структурных генов, которые входят в состав оперона, "обслуживаемого" данным оператором. Одновременная регуляция синтеза ферментов, кодируемых опероном, осуществляется путем взаимодействия генарегулятора с геном-оператором. Схема такой регуляции изображена на рис. 3- 25. Белки-репрессоры могут связываться с некоторыми низкомолекулярными веществами-индукторами, в результате чего последние оказываются неспособными образовывать комплекс со своими генами-операторами. Таким образом, индуктор устраняет репрессию структурных генов, включая тем самым синтез ферментов, который до этого был подавлен. Такая схема, предложенная Франсуа Жакобом и Жаком Моно в 1961 г.,

Рис. 3.25. Оперонная модель регуляции синтеза ферментов путем регуляции экспрессии генов. (Goldsby, 1967.)

67

Рис. 3.26. Кинетика индукции синтеза фермента после добавления соответствующего субстрата. (Dowben, 1971.)

объясняет явление ферментативной индукции, согласно которому синтез ряда ферментов начинается в клетке лишь после того, как там появляется субстрат (или его предшественник) для соответствующего фермента (рис. 3-26). Этот процесс иллюстрирует экономичность метаболизма, так как индуцибельные ферменты синтезируются лишь по мере возникновения потребности в них. После появления субстрата в клетке он связывается с репрессором, в результате чего прекращается репрессия (т.е. становится возможной транскрипция) соответствующего оперона. Таким образом, сегменты ДНК, которые до этого находились в неактивной форме, теперь могут служить матрицей для синтеза аминокислотных последовательностей ферментов.

Транскрипция структурных генов (и, следовательно, синтез соответствующих ферментов) в некоторых случаях регулируется также конечным продуктом последовательности анаболических (биосинтетических) реакций. При этом репрессор, синтезированный с матрицы гена-регулятора, находится в неактивном состоянии до тех пор, пока не свяжется с малой

органической молекулой - корепрессором, продуцируемым в конце анаболической цепи превращений (рис. 3-27). Комплекс репрессора с корепрессором связывается с оператором, что не позволяет начать транскрипцию структурного гена, кодирующего фермент, который действует на ранней стадии соответствующего биосинтетического пути. Таким способом контролируется весь этот путь и скорость выхода его конечного продукта. Если по какой-то причине конечный продукт начинает накапливаться, например изза замедления его включения в клеточные структуры, то снижается скорость реакций на всех этапах этого пути из-за

Рис. 3.27.

Ингибирующее действие конечного продукта на синтез фермента. А. Цепь отрицательной обратной связи, благодаря которой синтез Е1 подавляется при

накоплении корепрессора на одном из последующих этапов в цепи последовательных реакций. Корепрессор связывается с молекулой репрессора, и образовавшийся комплекс инактивирует ген, кодирующий Е1 Б. Уменьшение

содержания Е1 по мере накопления корепрессора.

снижения скорости синтеза соответствующего фермента.

Генетические регуляторные механизмы чрезвычайно важны для развития организма. Все соматические клетки данного животного содержат идентичную информацию, закодированную в структуре их ДНК, однако наборы разных ферментов, кодируемых этим генетическим материалом, в клетках разных тканей существенно неодинаковы. Это означает, что в любой данной ткани одни гены "включены", а другие "выключены". Такая ситуация может реализовываться частично через механизмы ферментативной индукции и репрессии в ответ на различия в локальных химических условиях в разных клетках развивающегося организма.

68

67 :: 68 :: Содержание

68 :: 69 :: Содержание

3.6.2. Метаболическое ингибирование по типу обратной связи

Некоторые метаболические пути в организме обладают внутренним механизмом прямой (т.е. негенетической) саморегуляции (рис. 3-28). В такой цепи последовательных реакций один из ферментов, катализирующих эти реакции (как правило, первую из них), является регуляторным (аллостерическим) ферментом, т.е. его активность зависит от концентрации конечного продукта цепи. Данный тип регуляции обычно основан на ингибировании этого фермента путем того или иного взаимодействия его с конечным продуктом. При таком

ингибировании

68

Рис. 3.28. Аллостерическое ингибирование ферментативного катализа конечным продуктом. В отличие от механизма, изображенного на рис. 3.27, конечный продукт в данном случае непосредственно влияет по типу отрицательной обратной связи на скорость катализа первой реакции в данной последовательности, а не на генетические механизмы регуляции.

конечным продуктом скорость синтеза последнего падает по мере его накопления в результате замедления всех реакций в данной последовательности. Установлено, что при ингибировании по типу обратной связи конечный продукт взаимодействует с участком молекулы фермента вне каталитической зоны активного центра. Таким образом, конечный продукт играет роль отрицательного эффектора, снижающего активность фермента по аллостерическому механизму регуляции. Большинство регуляторных ферментов катализирует реакции, которые фактически необратимы в тех условиях, какие существуют в клетке, и потому, вообще говоря, не подчиняются закону действующих масс, согласно которому реакция должна замедляться по мере накопления продукта.

69

68 :: 69 :: Содержание

69 :: Содержание

3.6.3. Активация ферментов

Как мы уже говорили, часть ферментов нуждается в кофакторах; это дает к детке еще один способ ре гуляции скорости биохимических реакций. Свободная концентрация ряда ионов внутри клетки зависит от их диффузии и активного транспорта через мембраны, которые отделяют содержимое клетки от ее окружения и формируют внутриклеточные отсеки (компартменты). Регулируя поступление ионов-кофакторов, клетка может регулировать концентрацию этих ионов и тем самым-активность некоторых ферментов.

Важным и распространенным регуляторным кофактором является ион кальция, концентрация которого внутри клеток значительно меньше концентраций таких неорганических ионов, как Mg2+, Na+ , К+ и Сl. Изменение внутриклеточной концентрации Са2+ играет важную роль в осуществлении многих физиологических и биохимических процессов. Особая роль кальция как универсального внутриклеточного посредника и регуляторного агента тесно связана с тем фактом, что его концентрация в цитозоле (неструктурированная жидкая часть цитоплазмы) крайне низка (менее 10-6 М). Незначительные колебания в величине суммарного потока Са2+ через клеточную мембрану или мембраны внутриклеточных органелл могут, таким образом, вызывать существенные, вплоть до 100-кратного, колебания концентрации свободных ионов Са2+ внутри клетки.

Каким образом Са2+ и другие внутриклеточные агенты могут влиять на происходящие в клетке события? Ответ здесь не однозначен, поскольку биохимическая регуляция может осуществляться несколькими способами. Ряд ферментов подчиняется аллостерической регуляции. В этом случае ион типа Са2+ , конечный продукт метаболической последовательности реакций или специфическая регуляторная молекула могут связываться с определенным участком на поверхности фермента, деформируя его третичную структуру, или конформацию, и тем самым влияя на каталитическую эффективность активного центра, расположенного в другой части молекулы фермента.

69

69 :: Содержание

69 :: 70 :: 71 :: 72 :: Содержание

3.7. Образование АТР в процессе метаболизма

Для большей наглядности обратимся вновь к аналогии между животными и машиной, которой мы воспользовались в начале этой главы. Легко заметить, что, поскольку и животное, и автомобиль непрерывно расходуют энергию, им обоим приходится периодически возобновлять запасы химического топлива, чтобы обеспечить энергией свою работу. Однако они отличаются друг от друга по способу использования этого топлива по крайней мере в одном, очень важном, отношении. В автомобильном двигателе молекулы органического топлива, входящие в состав бензина, окисляются (в идеальном случае) до СО2 и Н2О одномоментно в процессе, имеющем взрывной характер. Тепло, выделившееся при быстром окислении, вызывает скачкообразное повышение давления газов в рабочем цилиндре. Таким путем химическая энергия топлива преобразуется в механическую (кинетическую) энергию. Это преобразование обусловлено значительным повышением температуры при сгорании бензина, так как химическая энергия бензина преобразуется непосредственно в тепло, а тепло можно использовать для совершения работы только в том случае, если между какими-либо двумя частями машины имеется разность температуры и давления.

Поскольку живые системы способны выдерживать лишь небольшие перепады температуры и давления, тепло, выделившееся при простом одноэтапном сгорании топлива, использовалось бы с очень низким КПД, не позволяющим удовлетворить энергетические потребности живой системы. Поэтому в процессе эволюции в клетках были созданы метаболические механизмы ступенчатого преобразования химической энергии в цепи дискретных реакций. Утилизация энергии, заключенной в питательных

69

веществах, для совершения полезной работы осуществляется через образование промежуточных соединений со все более низким содержанием энергии. На каждом экзоэргическом этапе какая-то часть химической энергии рассеивается в виде тепла, а другая часть передается в виде химической энергии продуктам реакции. Химическая энергия, запасенная в структуре промежуточных соединений, передается далее молекулам АТР-высокоэнергетическому промежуточному веществу широкого применения-и другим высокоэнергетическим промежуточным продуктам, которые обеспечивают химической энергией множество самых разных процессов, протекающих в клетке (рис. 3-29).

Химическая энергия извлекается главным образом из трех классов поступающих с пищей веществ: углеводов, липидов и белков. Из

пищеварительного тракта они попадают в кровь обычно уже в виде соответственно пятиили шестиуглеродных Сахаров, жирных кислот и аминокислот (рис. 3-30). Далее эти небольшие молекулы поступают в ткани и клетки животного, где они могут: 1) немедленно расщепляться на более мелкие молекулы для извлечения из них химической энергии или-после соответствующих модификаций-для построения из них других молекул; 2) участвовать в образовании более крупных молекул, например полисахаридов (скажем, гликогена), жиров или белков. За редкими исключениями, впрочем, и эти молекулы будут в конечном счете расщеплены и удалены из организма в виде СО2, Н2О и мочевины. Почти все молекулярные компоненты клетки находятся в динамическом равновесии с окружающей их средой и постоянно замещаются такими же компонентами, вновь синтезированными из менее сложных органических молекул.

Некоторые простые организмы, включая ряд бактерий и дрожжей, а также немногие виды беспозвоночных могут постоянно жить в полностью анаэробных (т.е. лишенных молекулярного кислорода) условиях. Анаэробные организмы можно подразделить на две группы: 1) облигатные анаэробы, т.е. те, которые вообще не могут существовать в присутствии свободного кислорода (например, бактерии Clostridium botulinum), и 2) факультативные анаэробы типа дрожжей, которые хорошо выживают и воспроизводятся как в отсутствие, так и в присутствии кислорода. Все позвоночные и большинство беспозвоночных нуждаются в молекулярном кислороде для обеспечения тканевого дыхания и называются поэтому аэробными организмами. Но даже и у этих животных обычно имеются ткани, которые способны к анаэробному метаболизму в течение некоторого времени, создавая некую кислородную задолженность, которая устраняется после возобновления притока кислорода.

Из этих данных следует, что в животных тканях для извлечения энергии существуют два типа метаболизма: 1) аэробный метаболизм, при котором молекулы питательных веществ в конечном счете полностью окисляются до СО 2 и воды молекулярным кислородом; 2) анаэробный метаболизм, при котором молекулы питательных веществ окисляются не полностью-до молочной кислоты (рис. 3-31). Энергетический выход на одну молекулу глюкозы при анаэробном метаболизме значительно меньше энергетического выхода при аэробном метаболизме. Поэтому клетки с высокой скоростью обмена веществ могут

.существовать очень недолго, если прекратить доступ кислорода к соответствующим

Рис. 3.29.

Утилизация АТР в биологических системах. Из ADP, образовавшегося в результате гидролиза АТР, вновь синтезируется А ТР путем фосфорилирования. Необходимая для этого энергия высвобождается при окислении питательных вегиеств до СО2 и

Н2О. (Lehninger, 197L)

70

тканям. Известный пример - нервные клетки мозга млекопитающих. Кислородное голодание в течение всего лишь нескольких минут приводит к массовой гибели клеток и необратимому нарушению функций мозга.

Аэробный метаболизм в животных клетках тесно ассоциирован с митохондриями. Структура этих органелл, едва различимых в световой микроскоп, была установлена только с появлением электронного микроскопа (рис. 3-32). Митохондрии имеют наружную и внутреннюю мембраны, которые разделены межмембранным пространством. Эти две мембраны выполняют совершенно разные функции. Внутренняя мембрана имеет много складок, называемых кристами, назначение которых - увеличить площадь внутренней мембраны по отношению к внешней. Содержимое митохондрии в пределах внутренней мембраны называется матриксом. Как мы увидим ниже, внутренняя мембрана играет исключительно важную роль в синтезе АТР при аэробном метаболизме. Матрикс содержит, в частности, ДНК, которая участвует в воспроизводстве митохондрий, рибосом и плотных гранул; последние содержат главным образоим соли кальция.

В большинстве клеток митохондрии присутствуют в довольно большом количестве; так, в клетках печени их число по оценкам колеблется от 800 до 2500. Наблюдается также тенденция к увеличению концентрации митохондрий в областях клетки с повышенным потреблением АТР.

72

69 :: 70 :: 71 :: 72 :: Содержание

72 :: 73 :: Содержание

3.8. Окисление, фосфорилирование и перенос энергии

Перед тем как продолжить рассмотрение биохимических путей энергетического метаболизма в клетке, рассмотрим, каким образом химическая энергия, высвобождаемая в процессе метаболизма, сохраняется и передается высокоэнергетическим промежуточным веществам. Вспомним, что при расщеплении сложных органических молекул свободная энергия системы уменьшается, а энтропия (степень неупорядоченности) увеличивается. Подобная ситуация имеет место при окислении глюкозы до двуокиси углерода и воды в процессе сгорания согласно суммарной реакции

Рис. 332. Электронно-микроскопическая фотография митохондрии в клетке поджелудочной железы летучей мыши. Митохондрия ограничена со стороны цитоплазмы наружной мембраной, которая окружает внутреннюю мембрану; складки последней образуют так называемые кристы. Увеличение 50000. (С любезного разрешения K.R. Porter.)

Эти 686 000 кал, которые выделяются при окислении 1 моля глюкозы, дредставляют собой разность между химической энергией, запасенной в структуре молекулы глюкозы в процессе фотосинтеза, и суммарной химической энергией, содержащейся в образовавшихся молекулах СО 2 и Н2О. Если 1 моль

глюкозы окисляется до двуокиси углерода и воды в процессе одномоментного сгорания (т. е. просто при ее сжигании), то свободная энергия целиком

72

переходит в тепловую. В процессе клеточного дыхания, однако, какая-то часть этой энергии не переходит в тепло, а сохраняется в виде полезной химической энергии и передается АТР через реакцию фосфори-лирования ADP. Суммарную реакцию метаболического окисления глюкозы в клетке можно записать в виде

Следовательно, 266 ккал (686-420) будет аккумулировано в 38 молях АТР (7 ккал/моль АТР).

Каким образом химическая энергия, содержащаяся в молекуле глюкозы, передается молекулам АТР? Чтобы понять это, мы должны сначала вспомнить, что окисление в самом широком смысле - это перенос электронов с одной молекулы на другую. В окислительно-восстановительной реакции восстановитель (донор электронов) окисляется окислителем (акцептором электронов). Вместе они образуют окислительно-восстановительную пару (редокс-пару):

Донор электронов nе-+ Акцептор электронов

или

Восстановитель nе- + Окислитель,

г д е n-число перенесенных электронов. При переносе электронов с восстановителя на окислитель всегда происходит высвобождение энергии, так как электроны движутся в направлении более стабильной (с большей энтропией) ситуации при переходе на окислитель. Это напоминает водопад, где вода падает с одного уровня на другой, расположенный ниже. Именно разность двух уровней определяет количество высвобождаемой энергии.

Таким образом, химическая энергия высвобождается в том случае, когда электроны переходят от соединения с данным уровнем электронного давления (тенденцией отдавать элекроны) к соединению с более низким электронным давлением. Если какая-то молекула имеет более высокий уровень электронного давления по сравнению со своим партнером по окислительновосстановительной реакции, то говорят, что ее окислительновосстановительный потенциал ниже (более отрицательный); такая молекула будет выступать в качестве восстанавливающего агента. Если же у нее уровень электронного давления ниже, чем у партнера, то она будет окислителем. Изменение свободной энергии в каждой подобной реакции прямо пропорционально разности электронных давлений в молекулах

соответствующей окислительно-восстановительной пары (ре-докс-пары).

При аэробном клеточном метаболизме электроны переходят на все более низкие энергетические уровни от соединений с высоким электронным давлением к соединениям с более низким электронным давлением. Конечным акцептором электронов при аэробном метаболизме служит молекулярный кислород. По-видимому, последний стал универсальным конечным окислителем именно потому, что имеет очень низкий уровень электронного давления (свойство сильного окислителя), а также благодаря своей распространенности на поверхности Земли вследствие фотосинтеза. Поскольку роль кислорода сводится просто к тому, что он акцептирует электроны, то теоретически аэробный метаболизм может протекать и в отсутствие О2 при условии, что найдется подходящий акцептор электронов вместо кислорода.

При переносе электронов с глюкозы на кислород происходит огромный скачок как окислительно-восстановительного потенциала (положительный), так и свободной энергии (отрицательный), участвующих в переносе молекул. Одна из функций клеточного метаболизма как раз в том и состоит, чтобы перенос электронов с глюкозы на кислород совершался постепенно, через серию относительно небольших изменений свободной энергии, а не одним большим скачком. Такой перенос осуществляется при помощи двух механизмов, обнаруженных во всех клетках. Во-первых, как мы уже отмечали, расщепление молекул питательных веществ типа глюкозы до полностью окисленных конечных продуктов (например, до СО2 и Н2О) совершается по длинной цепочке промежуточных этапов молекулярных превращений и окислений, каждый из которых сопровождается относительно небольшим изменением свободной энергии. Во-вторых, электроны, отнятые у молекул субстрата, переносятся на кислород по цепочке акцепторов и доноров электронов с неуклонно убывающим электронным давлением. Как мы увидим вскоре, эти механизмы позволяют "поставлять" энергию на синтез АТР определенными порциями.

73

72 :: 73 :: Содержание

Спектры поглощения NAD+ и NADH. Поскольку разность коэффициентов поглощений для этих двух форм максимальна при 340 нм, именно эта длина волны

обычно используется для наблюдения за процессом восстановления NAD+ в NADH. (Lehninger, 1975.)

74

Рис. 3.35. Окисление NADH приводит к высвобождению химической энергии ΔG° = - 52 ккал/молъ).

донорами:

Весьма удобным обстоятельством для изучения реакций с участием этих коферментов является то, что спектры поглощения в ультрафиолетовой области у восстановленной и окисленной форм отличаются друг от друга (рис. 3-34). При переходе из окисленной формы в восстановленную и наоборот происходит также изменение их спектров флуоресценции при возбуждении в ультрафиолетовой области. Эти две особенности позволяют физиологам и биохимикам применять спектрофотометрические методы для наблюдения за концентрацией восстановленного кофермента в живых клетках в условиях эксперимента.

Энергетический уровень восстановленной молекулы кофермента, NADH или FADH2, гораздо выше, чем энергетический уровень кислорода. В результате перенос пары электронов с NADH на О2 сопровождается изменением свободной энергии на величину порядка - 52 ккал/моль (рис. 3-35). Эта энергия составляет значительную часть в общем балансе свободной энергии в 686 ккал, возникающем при окислении глюкозы, так как из 1 моля глюкозы получается 10 молей восстановленного NAD и 2 моля восстановленного FAD. Умножив 12 на 52, получим в итоге 624 ккал. Таким образом, 91% энергии окисления глюкозы передается электронпереносящим коферментам и расходуется на последних этапах переноса электронов. Как мы уже отмечали, 266 ккал из этого количества аккумулируется в молекулах АТР.

75

73 :: 74 :: 75 :: Содержание

Рис. 3.37. Энергетическая лестница, по которой происходит перенос электронов в дыхательной цепи.

собственно ферментом) - способен переносить свои электроны непосредственно на кислород.

Как окисленные, так и восстановленные формы цитохромов имеют характерные спектры поглощения, причем последние поглощают сильнее в длинноволновой части спектра. Такие их свойства помогли Дейвиду Кейлину в 1925 г. впервые установить функцию цитохромов. Проводя спектрофотометрические измерения, он обнаружил, что летательные мышцы насекомых содержат какие-то соединения, которые окисляются и восстанавливаются в процессе дыхания. Он назвал эти соединения цитохромами и предположил, что они переносят электроны с высоко энергетических субстратов на кислород.

цианидом, наблюдается тот же эффект, что и по прекращении поступления молекулярного кислорода. Электроны "накапливаются" выше места блокировки, поскольку перекрывается сквозной транспорт вдоль цепи, и восстанавливают все молекулы цитохромов до точки блокировки. Другой дыхательный яд - антимицин - перекрывает поток электронов на пути от цитохрома b к цитохрому с (рис. 3-38), в результате чего все цитохромы, расположенные выше точки блокировки, восстанавливаются, а все цитохромы ниже этой точки, окисляются. Такое избирательное ингибирование в разных точках дыхательной цепи помогло биохимикам установить последовательность переноса электронов с помощью спектрофо-тометрических методов, позволяющих следить за окислением и восстановлением цитохромов.

С помощью энергетической лестницы, по которой движутся электроны, т.е. благодаря высвобождению химической энергии относительно небольшими порциями, достигается значительный энергетический выигрыш по сравнению с гипотетическим непосредственным восстановлением кислорода с помощью NADH. "Логика" такой системы переноса электронов становится понятной, если вспомнить, что средняя величина энергии в биологическом энергетическом обмене невелика по сравнению с полным изменением свободной энергии при переносе электронов с NADH на кислород. Для синтеза АТР из ADP и

неорганического фосфата требуется всего 7,3 ккал/моль, тогда как при гипотетическом одноэтапном окислении NADH, при котором синтезировалось бы не более одной молекулы АТР, высвобождается 52 ккал/моль. При таком механизме лишь 14% (7,3 ÷ 52) доступной химической энергии было бы запасено в форме АТР, остальная энергия рассеялась бы в виде тепла. Во избежание лишних потерь большой энергетический скачок, который имел бы место при переносе электронов в реакции прямого окисления NADH кислородом, разбивается на несколько этапов, на которых энергия высвобождается более мелкими порциями. Таким образом, сложившаяся в клетке система переноса электронов представляет собой механизм, который позволяет высвобождать энергию порциями, как раз достаточными для эффективного синтеза АТР. Как мы увидим далее, существуют три этапа переноса электронов в дыхательной

76

Рис. 3.38.

Цепь переноса электронов. Пунктирные стрелки показывают, в каких участках может произойти размыкание цепи под действием дыхательных ядов (ингибиторов).

При переносе пары электронов вдоль всей цепи, начиная с NADH (NAD 2e-), происходит фосфорилирование трех молекул ADP до AT Р. Здесь FР-флавопротеин, Q-кофермент Q. Символы b, с, c1, а и а3 обозначают соответствующие цитохромы,

которые, как видно из рисунка, при переносе двух электронов работают парами.

цепи, на которых изменение свободной энергии достаточно велико для активирования реакции фосфо-рилирования ADP с образованием АТР (рис. 3- 38). Собственно реакция синтеза АТР из ADP и неорганического фосфата, сопряженная с отдельными этапами переноса электронов, называется

окислительным фосфорилированием или фосфорилированием в дыхательной цепи. Фосфорилирование ADP до АТР происходит в результате переноса электронов 1) с флавопротеина на кофермент Q; 2) с цитохрома b на цитохромы с и с1; 3) с цитохромов аа3 (цитохромоксидаза) на молекулярный кислород. Таким образом, на каждую пару электронов, перенесенных вдоль всей цепи, синтезируются три молекулы АТР из трех молекул ADP и трех молекул неорганического фосфата (Р^. Каждая пара электронов в конце пути восстанавливает половину молекулы О2 с образованием одной молекулы воды:

Сравнивая количество поглощенного кислорода (т.е. превращенного в воду) с количеством поглощенного неорганического фосфата (т. е. включенного в состав АТР), мы можем определить коэффициент окислительного фосфорилирования Р/О (отношение количества неорганического фосфата к количеству атомарного кислорода). Например, в случае когда окислительное фосфорилирование происходит на каждом из трех этапов, упомянутых выше, на синтез АТР будет израсходовано 3 моля неорганического фосфата на каждый

Следовательно, здесь Р/О = 3. Некоторые переносчики электронов, однако, минуют первый этап, на котором происходит фосфорилирование, восстанавливая сразу кофермент Q; в этом случае при переносе электронов возможны лишь две реакции фосфорилирования ADP до АТР на пару электронов, т.е. Р/О = 2.

Чтобы объяснить, каким образом происходит сопряжение синтеза АТР на молекулярном уровне с высвобождением свободной энергии в процессе переноса электронов, было предложено несколько моделей, которые сводятся к трем основным. Наиболее убедительной в настоящее время считается хемиосмотическая теория преобразования энергии, которую мы обсудим в разд. 4.7. Здесь стоит отметить, что когда митохондриальная мембрана почему-либо начинает "протекать", происходит р а з о б щ е н и е окислительного фосфорилирования и цепи переноса электронов. Если происходит разрыв мембраны или если применяется какой-нибудь химический агент, повышающий ее проницаемость для Н+ и других катионов, синтез АТР уменьшается или вовсе прекращается; при этом и перенос электронов, и восстановление О2 до Н2О продолжаются по-прежнему, но вся высвобождаемая энергия выделяется в виде тепла. Разобщение окислительного фосфорилирования и цепи переноса электронов наблюдается также при воздействии некоторых лекарственных средств, например динитрофенола (ДНФ). Поскольку это вещество понижает эффективность энергетического обмена, одно время врачи прописывали его своим пациентам, чтобы помочь им избавиться от лишнего веса. Однако от его применения в качестве средства против ожирения пришлось

77

отказаться, поскольку выяснилось, что он вызывает патологические побочные эффекты.

78

75 :: 76 :: 77 :: 78 :: Содержание

78 :: 79 :: 80 :: Содержание

3.10. Гликолиз

Те р м и н о м гликолиз (буквально - расщепление сахара) обозначают последовательность реакций, ведущих к превращению глюкозы в пировиноградную кислоту (рис. 3-30 и 3-39). Эта последовательность, одна из основных в энергетическом метаболизме животной клетки, осуществляется как в анаэробных, так и в аэробных условиях. Другое название глико-литического пути - путь Эмбдена-Мейергофа - было дано в честь двух немецких биохимиков, которые установили все этапы гликолиза в 1930-х гг.

При гликолизе сначала происходит фосфорилирование глюкозы за счет АТР либо в процессе фосфоролиза гликогена (рис. 3-40), либо в реакции

Глюкоза + АТР → Глюкозо-6-фосфат + ADP.

После превращения глюкозы (реакция 2 на рис. 3-39) во фруктозо-6- фосфат происходит повторное фосфорилирование гексозы (шестиуглеродный сахар) с образованием фруктозо-1,6-дифосфата, на что расходуется вторая молекула АТР (реакция 3). Может показаться, что клетке невыгодно расходовать две молекулы АТР на фосфорилирование одной молекулы гексозы, поскольку цель гликолиза-синтез АТР. При более внимательном рассмотрении, однако, оказывается, что фосфорилирование глюкозы отнюдь не лишено смысла. В результате фосфорилирования молекул гексоз и триоз (трехуглеродные сахара) получают ионогенные группы, а, как мы видели в гл. 2, проницаемость мембран для полярных молекул очень мала. Таким образом, нефосфорилированная глюкоза может свободно проникать в клетку (и покидать ее), диффундируя через наружную мембрану, тогда как ее фосфоршшрованная форма и фосфорилированные производные "заперты" в клетке, как в ловушке. Эти две молекулы АТР, израсходованные на так называемые пусковые реакции фосфорилирования, в конечном счете восполняются, потому что на последующих этапах гликолитического пути эти фосфатные группы, а стало быть и запасенная в них химическая энергия переносятся на ADP с образованием АТР (реакция 10 на рис. 3-39), т.е. энергия фосфатных групп, затраченная в пусковых реакциях фосфорилирования, сохраняется.

Молекула фруктозо-1,6-дифосфата расщепляется в реакции 4 на две

триозы-глииералъдегид-3-фосфат и диоксиацетонфосфат. Молекула последнего с помощью соответствующего фермента превращается в первую триозу, так что из каждой молекулы глюкозы получаются две молекулы глицеральдегид-3-фосфата, и обе они далее претерпевают одинаковые превращения. На этом завершается первая стадия гликолиза, на которой из одной молекулы шестиуглеродного сахара образуются две молекулы трехуглеродного глицеральдегид-3-фосфата (реакции 1-5).

Вторая стадия гликолиза начинается с окисления глицеральдегид-3-

Рис. ЗАО. Фосфоролиз гликогена с образованием глюкозо-1-фосфата. (Lehninger, 1975.)

окисляется молекулярным кислородом через систему переноса электронов, которую мы обсуждали в предыдущем разделе; при этом образуются три молекулы АТР.

Рис. 3.41. Расходование и образование АТР при гликолизе. Обратите внимание на то, что суммарный выход АТР составляет 2 моля А ТР на 1 моль глюкозы при окислении ее до пировиноградной кислоты.

(Vander el al, 1975.)

Рис. 3.42.

Цикл NAD+ NADH, сопряженный с реакциями 6 и 11 (рис. 3-39) при анаэробном гликолизе.

80

78 :: 79 :: 80 :: Содержание

80 :: 81 :: 82 :: Содержание

3.11. Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)

В аэробных условиях Пировиноградная кислота декарбоксилируется, т. е. от нее отщепляется молекула СО2 и остается двухуглеродная ацетильная группа.

Окисленная форма кофермента NAD+ принимает один атом водорода от пировиноградной кислоты и один атом водорода от кофермента А (СоА). В результате происходит конденсация двухуглеродно-го остатка, образовавшегося из пировиноградной кислоты, с коферментом А с образованием

ацетилкофермента А (ацетил-СоА) (рис. 3-43). Кофермент действует как переносчик ацетильной группы, передавая ее щавелевоуксусной кислоте в следующей реакции, в ходе которой СоА высвобождается из комплекса. Таким образом, СоА не расходуется, а все время переносит ацетильные группы от пировиноградной кислоты на щавелевоуксусную.

Все реакции гликолитического пути вплоть до образования пировиноградной кислоты протекают в цитозоле. За образованием ацетил - СоА и СО2 из пировиноградной кислоты и СоА следуют восемь основных реакций

цикла трикарбоновых кислот (ЦТК) (рис. 3-44), в результате которых каждая ацетильная группа расщепляется до СО2 и Н2О с образованием еще двух молекул СО2 и двух молекул Н2О. Все эти реакции протекают в матриксе митохондрий, содержащем соответствующие ферменты. Суммарная реакция расщепления пировиноградной кислоты выглядит так:

Цикл трикарбоновых кислот известен также под названием цикл Кребса в честь Ханса Кребса, который в начале 1940-х гг. установил основные этапы данной последовательности реакций и ее циклический характер. Сначала двухуглеродная ацетильная группа из ацетил-СоА конденсируется с

80

Рис. 3.43. Образование ацетил-СоА из пировиноградной кислоты.

четырехуглеродной щавелевоуксусной кислотой с образованием шестиуглеродной лимонной кислоты (реакция 2, рис. 3-44). В реакциях 5 и 6 от изолимонной кислоты отщепляются последовательно две карбоксильные группы, из которых образуются соответственно вторая и третья молекулы СО2.

Кроме того, в тех же реакциях отщепляются четыре атома водорода, которые переносятся на NAD+ с образованием двух молекул NADH. Реакция 7 протекает на поверхности внутренней митохондриальной мембраны, с которой связаны молекулы сукцинатдегидрогеназы. Этот фермент при участии кофермента FAD отщепляет два атома водорода от янтарной кислоты с образованием фумаровой кислоты. Еще одно окисление происходит на этапе 9; здесь яблочная кислота превращается в щавелевоуксусную кислоту с одновременным переносом двух атомов водорода на NAD +. Затем новая ацетильная группа конденсируется с щавелевоуксусной кислотой с образованием новой молекулы лимонной кислоты, и, таким образом, цикл повторяется.

С каждым новым оборотом ЦТК от молекул отщепляются два атома углерода и четыре атома кислорода в виде двух молекул СО 2 (рис. 3-45), а также восемь атомов водорода, всякий раз по два. Эти атомы водорода (поскольку кроме протона они содержат еще и электрон) окисляются молекулярным кислородом до Н2О при участии NAD+ , FAD и соответствующего цитохрома дыхательной цепи. СО2 высвобождается из митохондрии, а затем и из клетки просто путем диффузии и в конце концов выводится из организма в виде газа через систему кровообращения и органы дыхания.

Рис. 3.44.

Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса). С каждым оборотом в цикл поступает одна ацетильная группа (в реакции 2). Эта группа остается интактной в течение одного оборота цикла. За то же время от молекулы лимонной кислоты отщепляется эквивалентное количество атомов углерода, кислорода и водорода в виде СО 2, а

также в виде Н+ и е-, которые вовлекаются в цепь переноса электронов. (На рисунке опечатка: в крайнем левом прямоугольнике вместо СН2 должно быть СО2.)

81

Рис. 3.45.

Образование СО2, NADH, FADH2 и GTP в цикле трикарбоновых кислот. Цифры в кружочках отвечают соответствующим реакциям на рис. 3.44. (Vander et al., 1975.)

82

80 :: 81 :: 82 :: Содержание

82 :: 83 :: Содержание

3.12. Эффективность энергетического метаболизма

Как при прямом окислении (сжигании) глюкозы, так и при ее окислении в процессе метаболизма высвобождается одно и то же количество химической энергии-686 ккал/молъ. Если все тепло от сжигания глюкозы направить на подогрев воды для создания избыточного давления в котле паровой машины, то механическая работа этой машины, поделенная на уменьшение свободной энергии, равное 686 ккал/моль, даст КПД преобразования химической энергии в механическую. Современные паровые машины достигают КПД примерно 30%. Посмотрим, какова эффективность переноса химической энергии с глюкозы на АТР в живой клетке. В стандартных условиях на фосфорилирование 1 моля ADP с образованием АТР требуется примерно 7 ккал/моль. Если бы вся химическая энергия окисления глюкозы перешла в АТР, т. е. КПД этого процесса составил 100%, то каждая молекула глюкозы смогла бы обеспечить энергией синтез 98 (686/7 = 98) молекул АТР из ADP и неорганического фосфата. Как мы увидим далее, в клетке синтезируется всего лишь 38 молекул АТР, т.е. суммарный выход составляет около 42%, а возможно, и больше 1. Остальная часть высвобождающейся химической энергии переходит в тепловую энергию молекул, из-за чего, в частности, повышается температура соответствующих тканей, где, таким образом, увеличивается скорость обмена веществ. Практически вся энергия, аккумулированная в АТР и передаваемая далее другим молекулам, в конце концов переходит в тепло. Окисление ископаемых топлив представляет собой надолго отсроченный возврат аккумулированной энергии в исходное низкоэнергетическое и высокоэнтропийное состояние организации вещества в виде СО2 и Н2О.

Интересно сравнить энергетический выход при анаэробном и аэробном расщеплении глюкозы, имея в виду, что из каждой молекулы глюкозы получаются две молекулы трикарбоновых производных, и поэтому необходимо удваивать число всех молекул после реакции 5 гликолитического пути. При анаэробном гликолизе суммарный выход составляет две молекулы АТР на каждую молекулу глюкозы (рис. 3-41), поскольку две молекулы из четырех, образовавшихся при субстратном фосфо-рилировании ADP, расходуются в пусковых реакциях фосфорилирования. Две молекулы NADH, образовавшиеся при окислении 3-фосфоглицеральдегида (реакция 6, рис. 3-39), окисляются вновь до NAD+ , так как в анаэробных условиях отдают две пары атомов водорода двум молекулам пировиноградной кислоты с образованием двух молекул молочной кислоты (реакция 11, рис. 3-42).

В аэробных условиях из каждых двух молекул NADH, образованных в процессе гликолиза при окислении 3-фосфоглицеральдегида, получаются три молекулы АТР в процессе окислительного фосфорилирования (рис. 3-38). Пировиноградная кислота является субстратом ЦТК, от которого отщепляется в

общей сложности 10 пар атомов водорода на каждые две молекулы пировиноградной кислоты (рис. 3-44). Восемь пар электронов переносятся NAD+ , что дает 24 молекулы АТР, а еще две пары переносятся коферментом FAD, давая еще четыре молекулы АТР. Наконец, при субстратном фосфорилировании гуанозиндифосфата при окислении а-кетоглутаровой кислоты до янтарной кислоты (реакция 6 ЦТК) образуются две молекулы

82

GTP. Всего при аэробном дыхании получается 38 молекул нуклеозидтрифосфатов на каждую молекулу глюкозы. Как мы только что видели, при анаэробном дыхании образуются только две молекулы АТР на молекулу глюкозы. Таким образом, при аэробном дыхании аккумулируется около 42% энергии окисления глюкозы, тогда как при анаэробном - всего лишь около 2%. Иначе говоря, запасание энергии расщепления глюкозы через аэробный гликолиз и ЦТК примерно в 20 раз эффективнее, чем через анаэробный гликолиз. Неудивительно поэтому, что большинство животных обладают механизмами аэробного дыхания и нуждаются в молекулярном кислороде для своего существования.

83

142%, которые получаются в данном случае, рассчитаны для стандартных условий. В действительности КПД аккумуляции энергии может достигать 60%, так как, согласно оценкам, в условиях, которые характерны для клетки, свободная энергия гидролиза АТР больше, чем в стандартных условиях. Таким образом, при синтезе АТР энергетический выход гораздо выше, чем у паровой машины, и фактически выше, чем у любого другого способа преобразования химической энергии в механическую, изобретенного человеком вплоть до настоящего времени.

82 :: 83 :: Содержание

83 :: Содержание

3.13. Кислородная задолженность

Когда какая-либо ткань, например работающая мышца, получает О2 меньше того количества, которое необходимо для синтеза АТР путем окислительного фосфорилирования, часть пировиноградной кислоты перестает поступать в качестве субстрата в ЦТК и восстанавливается в молочную кислоту. На каждые две молекулы восстановленной пировиноградной кислоты получаются две молекулы окисленного NADH (рис. 3-42), что обходится клетке в шесть молекул АТР, которые она могла бы синтезировать путем фосфорилирования в дыхательной цепи. Если кислородное голодание продолжается, концентрация молочной кислоты растет, и часть ее может проникать в межклеточное пространство и систему кровообращения. После того как мышца расслабляется, накопившаяся в ней молочная кислота окисляется NAD+ при участии фермента лактат-дегидрогеназы обратно в пировиноградную кислоту (рис. 3-46). Окисление в дыхательной цепи молекул NADH, образовавшихся в этой реакции, позволяет восстановить запасы АТР, истощенные при анаэробном образовании молочной кислоты. Кроме того, часть пировиноградной кислоты, регенерированной из молочной кислоты, поступает в качестве субстрата в ЦТК, а часть идет на синтез аланина и глюкозы. Таким образом, дефицит кислорода в какой-то ткани приводит к ее переключению на анаэробный гликолиз, при котором синтез АТР происходит с низкой эффективностью. Однако неиспользованная химическая энергия аккумулируется в этой ткани в виде молочной кислоты и позже может использоваться через аэробное расщепление при поступлении достаточного количества кислорода. После прекращения интенсивных физических усилий системы дыхания и кровообращения продолжают некоторое время поставлять в ткани большое количество кислорода, чтобы "погасить" кислородную задолженность, которая материализовалась в виде накопленной молочной кислоты.

Рис. 3.46.

Синтез пировиноградной кислоты из молочной кислоты за счет восстановления

NAD+ до NADH. NAD+ восполняется в процессе окислительного фосфорилирования.

83

83 :: Содержание

83 :: 84 :: Содержание

3.14. Резюме

Отличительная черта биологических систем заключается в том, что в них поддерживается состояние низкой энтропии, т. е. в том, что они высокоорганизованы. Постоянное расходование энергии на поддержание этой организации должно покрываться за счет энергии молекул питательных веществ в процессе метаболизма. В живой клетке метаболизм осуществляется через упорядоченную последовательность регулируемых химических реакций, катализируемых ферментами. Все самопроизвольно протекающие химические реакции стремятся нивелировать разность энергий, уменьшая свободную энергию и увеличивая энтропию. На первый взгляд кажется, что в живых системах нарушается закон неубывания энтропии, но это не так; просто они существуют за счет химической энергии, получаемой из окружающей их среды.

Биологические реакции, требующие энергетических затрат, идут за счет расщепления АТР-трижды фосфорилированного нуклеозида, который служит общим промежуточным продуктом, способным отдавать химическую энергию, запасенную в его концевой пирофосфатной связи. Такая передача энергии осуществляется в системе сопряженных реакций, в которой эндоэргическая (энергозатратная) реакция протекает за счет экзоэргической (идущей с высвобождением энергии). АТР ресинтезируется из ADP за счет окисления молекул питательных веществ, основная масса которых обязана своим происхождением энергии излучения Солнца, аккумулированной в процессе фотосинтеза в зеленых растениях. Таким образом, животные зависят от энергии, так или иначе поступающей от Солнца.

Катализ, осуществляемый ферментами-глобулярными белковыми молекулами,-уменьшает энергию, которую требуется затратить на активацию реагентов, чтобы реакция могла произойти; поэтому в присутствии катализаторов реакции ускоряются. Таким образом, биохимические реакции могут протекать при умеренных температурах, характерных для живых организмов. Каталитическая 'эффективность фермента достигается благодаря стери-ческой и электростатической специфичности связывания между активным центром фермента и молекулой субстрата. Такое связывание приводит к благоприятному взаимному расположению в

83

пространстве реагирующих молекул. Регуляция концентраций ферментов сообразно потребности в них, их функциям и условиям окружающей среды осуществляется на генетическом уровне через механизмы ферментативной индукции и репрессии. Активность ряда ферментов может регулироваться также аллостерически, т.е. через конформационные изменения активного центра в результате связывания регуляторных молекул или ионов с каким-то участком на поверхности фермента, расположенным вне его активного центра.

Расщепление молекул углеводов путем их окисления - основной источник химической энергии в животной клетке. В анаэробных условиях этот процесс осуществляется в цитозоле путем гликолиза (до молочной кислоты), в аэробных условиях-через цикл трикарбоновых кислот (до СО2 и Н2О). Высвобождение энергии, заключенной в химических связях молекул, в процессе метаболизма происходит при переносе электронов от донора электронов (восстановителя) к окислителю. При гликолизе и окислительном фосфорилировании высвобождение химической энергии осуществляется поэтапно, относительно небольшими порциями, сравнимыми с тем количеством химической энергии, которое требуется для фосфорилирования ADP до АТР. В частности, при окислительном фосфорилировании электроны спускаются вниз по энергетической лестнице по цепи акцепторов и доноров электронов. Таким образом, можно сказать, что существует некий градиент электронного давления, начиная с восстановленных коферментов NADH и FADH, далее по цепи, образованной цитохромами, и кончая конечным акцептором электронов - молекулярным кислородом. Именно сильное сродство атома кислорода к электронам и его распространенность на поверхности Земли делает его идеальным конечным акцептором электронов в живых системах.

В процессе гликолиза глюкоза расщепляется на две трикарбоновые молекулы молочной кислоты при анаэробном окислении, при котором образуются две молекулы АТР, или до пировиноградной кислоты, являющейся субстратом для аэробного расщепления. В цикле трикарбоновых кислот пировиноградная кислота окисляется полностью до СО2 и Н2О, что сопровождается образованием 34 молекул АТР и двух молекул GTP. КПД биологических систем составляет поэтому не менее 42%, т.е. значительно больше, чем у любой созданной человеком машины, использующей энергию окисления органических топлив.

84

83 :: 84 :: Содержание

21.В чем состоит отличие механизмов высвобождения энергии соответственно в цикле трикарбоно-вых кислот и при гликолизе?

22.Объясните, почему у животных в процессе эволюции конечным акцептором электронов стал O2?

85

84 :: 85 :: Содержание

85 :: Содержание

ЛИТЕРАТУРА

Bender M. L, Brubacher LJ. 1973. Catalysis and Enzyme

Action, New York, McGraw-Hill. " Boyer P.D. 1970. The Enzymes, New York, Academic. Cech Т.К. 1986. RNA as an enzyme, Scientific American, 255, 64-75.

DarnellJ.H., Lodish, Baltimore D. 1986. Molecular Cell Biology, New York, Scientific American Books.

Haynes R. Я., Hanawalt P. C. eds. 1973. The Chemical Basis of Life: Readings from Scientific American, New York, W. H. Freeman and Company.

Hinkle P. C, Me Am R.E. 1978. How cells make ATP, Scientific American, 238, 104-123.

Hochachka P. W.t Somero G.N. 1984. Biochemical Adaptation, Princeton, N.J., Princeton University Press.

Lehninger A.L1971. Bioenergetics, 2nd ed., Menlo Park, Calif., Benjamin. Lehninger A. L 1982. Principles of Biochemistry, New York, Worth.

Malcolm A. D. 1971. Enzymes: An Introduction to Biological Catalysis, London, Methuen.

Stryer L 1988. Biochemistry, 3th ed., New York, W.H. Freeman and Company.

85

85 :: Содержание

86 :: 87 :: Содержание

Глава 4

Проницаемость и транспорт

Биологические мембраны образуют наружную оболочку всех животных клеток, а также участвуют в формировании многочисленных внутриклеточных органелл. Они выполняют очень важные функции, обеспечивая целостность клеток и тканей и их активность. Эти функции настолько важны, всеобъемлющи и разнообразны, что мы посвятили биологическим мембранам две главы. Вначале мы рассмотрим структуру мембран и их транспортные функции, а в следующей главе остановимся на их электрических свойствах.

Наиболее очевидной функцией мембран является их участие в образовании изолированных отсеков (компартментов). Какие бы мембраны мы ни рассматривали, они всегда формируют замкнутые структуры. Самая крупная из

содержит цитозоль (жидкая часть цитоплазмы) и все клеточные орга-неллы и включения-митохондрии, везикулы, ядро и ретикулум; многие из них имеют субкомпартменты, отделенные от цитозоля своей собственной поверхностной мембраной. Мембраны играют роль барьеров, препятствующих свободной диффузии различных веществ. Благодаря этому при участии метаболических механизмов мембраны регулируют суммарный перенос различных веществ и соответственно их концентрацию в клеточном или субклеточных компартментах. Наличие концентрационных градиентов означает, что мембраны принимают активное участие в перераспределении веществ между компартментами. Действительно, клеточная мембрана осуществляет очень тонкую регуляцию в цитоплазме концентрации растворенных ионов и других молекул, благодаря чему устанавливается состав внутриклеточной среды, наиболее благоприятный для протекания сбалансированных метаболических реакций.

Участие в компартментализации-это только одна из функций мембран. В число других функций входят: 1) связывание внеклеточных химических эффекторов рецепторными поверхностными молекулами, что в свою очередь активирует регуляторные белки в мембране; 2) ферментативная активность, осуществляемая молекулами ферментов, встроенными в мембрану (например, превращение АТР в циклический аденозинмонофосфат); 3) окисление сукцината; 4) транспорт электронов и фосфорилирование в дыхательной цепи; 5) ферментативные процессы сборки секретируемых продуктов в мембранах аппарата Гольджи; 6) преобразование внешних стимулов в электрические сигналы; 7) проведение биоэлектрических импульсов; 8) высвобождение

синаптических нейромедиаторов и пиноцитоз.

Еще в 30-х годах наличие дифференцированной мембранной структуры на поверхности клетки представлялось далеко не бесспорным. Поскольку в то время прямые морфологические данные о существовании биологических мембран были весьма немногочисленными или вообще отсутствовали, опираться можно было только на физиологические исследования. Первые указания на лимитирующие диффузию свойства клеточной поверхности были получены в середине XIX в. Карлом Вильгельмом Нагели, который отметил, что клеточная поверхность является барьером для свободной диффузии красителей внутрь клетки из внеклеточной жидкости, и предположил, что существует некая плазматическая мембрана. Он обнаружил также, что клетки набухают в разбавленных растворах и сжимаются в концентрированных, т.е. проявляют осмотические свойства. Позднее Вильгельм Пфеффер провел параллель между осмотическими свойствами искусственных

86

Рис. 4.1. Электронная микрофотография поперечного среза плазматической мембраны. Содержимое клетки (внизу справа) отделено от внеклеточного пространства поверхностной мембраной - трехслойной структурой (темный, светлый, темный слои) толщиной около 10 нм. Такой вид структуры на фотографии обусловлен дифференциальным контрастированием электроноплотными веществами при подготовке препарата ткани. (Robertson, I960.)

полупроницаемых мембран и свойствами живых клеток; это послужило дополнительным доказательством того, что живые системы подчиняются законам физики и химии.

Используя эритроциты в качестве осмометров (индикаторов осмотического давления), Эрнст Овертон в конце XIX в. выявил тесную взаимосвязь между растворимостью вещества в липидах и его способностью проникать сквозь клеточную мембрану: чем больше эта растворимость, тем меньший осмотический эффект вещество оказывает. Овертон совершенно правильно объяснил этот факт тем, что благодаря высокой растворимости в липидах данное

вещество быстро проникает через клеточную мембрану. Как только оно оказывается внутри клетки, осмотический градиент уменьшается и наблюдаются меньшая потеря воды и сжатие клетки, чем в присутствии не проникающего через мембрану вещества в той же концентрации. Эти данные явились первым свидетельством того, что мембраны содержат значительное количество липидов.

Морфологические данные о существовании клеточной мембраны были получены только после разработки методов приготовления ультратонких срезов тканей, фиксированных химическими методами для проведения электронномикроскопических исследовний. На поверхности самых разных клеток был четко виден непрерывный слой (рис. 4-1), который связывал электроноплотные контрастирующие вещества сильнее, чем свободная цитоплазма. Толщина мембраны составляла от 6 до 12 нм.

Тонкая структура поверхности мембран была исследована позднее с помощью метода замораживания - скалывания (см. рис. 4-10).

87

86 :: 87 :: Содержание

Рис. 4.2. Фосфоглицерид

фосфатидилхолин. Указаны заряды, обусловливающие полярный характер "головки". (Stryer, 1988.)

Pиc. 4.3. Ориентация фосфолипидных молекул на поверхности раздела воздух-вода. Полярные головки молекул контактируют с водой, а гидрофобные хвосты выступают в воздух.

между неводной липидной фазой внутри мембраны и водными внутри- и внеклеточными фазами, контактирующими с двумя мембранными поверхностями. В водных растворах липидные молекулы спонтанно образуют бислои. На этой концепции основано большинство принятых моделей мембранной структуры; мы рассмотрим их в следующем разделе.

Третья, большая группа мембранных липидов представлена стеролами (например, холестеролом) (рис. 4-4). Стеролы-ярко выраженные неполярные соединения, они очень плохо растворяются в воде. В водных растворах они образуют комплексы с белками, гораздо более растворимые в воде, чем сами стеролы. В составе мембран молекулы стерола встраиваются между углеводородными хвостами фосфолипидов и сфинголипидов (рис. 4-5), что приводит к увеличению вязкости углеводородной сердцевины мембраны.

87 :: 88 :: 89 :: Содержание

89 :: 90 :: Содержание

4.2. Организация мембран

Молекулярные механизмы функционирования мембран детально не изучены. Чтобы исследовать эти механизмы, полезно знать, как мембранные компоненты собираются в функционирующие единицы. Но структурная и функциональная целостность мембран утрачивается с выделением и очисткой их компонент, и это затрудняет исследование организации мембран и их субструктуры. Дело осложняется еще и тем, что существует очень много разных типов мембран. Сейчас ясно, что во многом споры между создателями разных теорий организации мембран возникали именно в результате этого разнообразия.

Структуру и организацию мембран можно изучать с помощью трех разных подходов: 1) химическое фракционирование; 2) исследование физических свойств мембран; 3) получение искусственных мембран и включение в них определенных молекул для изучения их функций.

4.2.1. Простые модели бислоев

В 1925 г. Э. Гортер и Ф. Грендел опубликовали результаты экспериментов, на основе которых была построена одна из основополагающих моделей организации мембран. Они экстрагировали липиды теней эритроцитов 1 и создали условия для распределения их по поверхности воды, налитой в кювету. Асимметричные липидные молекулы ориентировались таким образом, что их полярные головки образовывали водородные связи с водой, а гидрофобные углеводородные цепочки торчали наружу, как показано на рис. 4-3. Пленку диспергированных липидных молекул на поверхности воды аккуратно сжимали в латеральном направлении и измеряли необходимую для этого силу. Она оставалась небольшой до тех пор, пока молекулы липида были диспергированы по поверхности, а затем резко возрастала. Это возрастание происходило в момент формирования компактного монослоя (рис. 4-6).

89

Рис. 4.6. Эксперимент Гортера и Грендела,

послуживший основой для создания модели липидного бислоя мембраны. При латеральном сжатии липидной пленки в некоторый момент наблюдается резкое увеличение прилагаемой силы, свидетельствующее об образовании сплошного монослоя.

Измерение площади, занимаемой монослоем липидов, показало, что она примерно вдвое больше площади поверхности клеточной мембраны, из которой были экстрагированы липиды. Из своих наблюдений Гортер и Грендел сделали вывод, что липиды клеточной мембраны организованы в би-слой, состоящий из двух монослоев молекул, ориентированных таким образом, что гидрофобные углеводородные хвосты упорядоченных молекул контактируют друг с другом, а полярные головки направлены наружу, в водную фазу (рис. 4-7, А). Такая организация липидов лежит в основе модели липидного бислоя мембранной структуры. Данные, свидетельствующие о правильности этой концепции, представлены в дополнении 4-1. Более поздние исследования показали, что содержание липидов в мембранах эритроцитов таково, что площадь образуемого ими монослоя равна величине, лишь в 1,5 раза превышающей площадь клеточной поверхности. Как оказалось, остальная площадь приходится на долю белков, о чем мы будем говорить в следующем разделе.

Аналогичная модель, тоже основанная на концепции бислоя фосфолипидных молекул, была построена Дж. Ф. Даниелли, однако эта модель предполагала наличие выстланных белками пор и слоя белковых молекул на поверхности липидного бислоя (рис. 4-7, Б). Даниелли включил в свою модель поверхностные белки, поскольку по оценкам поверхностное натяжение клеточных мембран было ниже, чем поверхностное натяжение на границе масло-вода. Впоследствии стало ясно, что низкое поверхностное натяжение обусловлено гидрофиль-ностью полярных головок фосфолипидов.

90

1Тени-это пустые мембранные "мешки", остающиеся после гемолиза эритроцитов в гипотонической

среде.

89 :: 90 :: Содержание

90 :: 91 :: 92 :: Содержание

4.2.2. Жидкостно-мозаичная модель

Как мы уже отмечали, химическое фракционирование мембран и иммунохимические исследования подтверждают представление о том, что белки являются важными компонентами мембран; более того, ферментативные свойства мембран, проявляющиеся в их участии в активном транспорте и других метаболических процессах, требуют наличия белков. Некоторое время назад было высказано предположение, что эти белки имеют глобулярную структуру, поскольку все другие известные ферменты являются глобулярными белками, или имеют активные группы в глобулярной части. Оптические исследования подтвердили представление о глобулярной природе мембранных белков. Было установлено также, что некоторые белковые молекулы свободно диффундируют в латеральном направлении, т. е. в плоскости мембраны; вероятно, это связано с текучестью липидного матрикса. Кроме того, исследования с применением метки показали, что белковые молекулы или их части, экспонированные с одной стороны мембраны, отличаются от других, выходящих на противоположную сторону, и в норме они не меняются местами. На основании этих данных Сингер и Николсон в 1972 г. предложили жидкостно-мозаичную модель мембраны, согласно которой глобулярные белки интегрированы в липидный бислой; при этом одни из них пронизывают его насквозь, а другие погружены лишь частично (рис. 4-8). Считают, что эти интегральные белки амфифильны, их неполярные участки погружены в углеводородную сердцевину бислоя, а полярные выступают из сердцевины, образуя гидрофильную поверхность из заряженных аминокислотных группировок в водной фазе (рис. 4-9). Гидрофобные боковые группы взаимодействуют с углеводородным бислоем, и благодаря этому интегральные белки удерживаются в мембране.

Морфологические данные, свидетельствующие о мозаичной организации глобулярных белков в липидном бислое, представлены на рис. 4-10. Здесь приведены три электронные микрофотографии поверхности мембраны, полученные методом замораживания - травления. Глобулярные компоненты удаляются из мембран при обработке их протеолитическими ферментами. Поскольку эти ферменты специфичны именно к белкам, можно сделать вывод

90

Рис. 4.9. Поперечное сечение мембраны, иллюстрирующее модель мозаичного бислоя. Показаны заряженные гидрофильные аминокислотные боковые группы белков, выступающие в водную фазу, и незаряженные гидрофобные группы, контактирующие с липидной фазой бислоя. (Singer, Nicolson, I972.)

о белковой природе наблюдаемых глобулярных образований.

Жидкостно-мозаичная модель бислоя, по-видимому, дает наиболее адекватное представление о структурной организации поверхностной мембраны и многих внутриклеточных мембран. В ней предполагается наличие больших участков, состоящих только из липидов, без всяких включений (чему имеются достаточно веские доказательства), а также белков, ответственных за многие метаболические функции мембран. Интегральные белки, обнаруженные в плазматической мембране (рис. 4-8), играют очень важную роль: они участвуют в образовании ионных каналов, играют роль мембранных насосов и переносчиков различных веществ и являются ре-цепторными и распознающими молекулами.

92

90 :: 91 :: 92 :: Содержание

92 :: 93 :: Содержание

4.2.3. Субъединичная модель

Для некоторых мембран, например мембран митохондрий и зрительных рецепторных клеток, модель мозаичного бислоя, по-видимому, в чистом виде непригодна: липидный бислой в них в основном заменяется регулярно расположенными макро-молекулярными единицами. В зрительных рецепторных клетках эти единицы представлены молекулами зрительного пигмента, состоящего преимущественно из белка. В митохондриальных мембранах, для которых характерны очень высокое отношение белок-липид и четко выраженная ферментативная активность, субъединицами, по-видимому, являются комплексы молекул ферментов. По данным электронной микроскопии в мембранах имеются регулярно расположенные глобулярные частицы (рис. 4- 11). При фракционировании митохондриальных мембран высвобождается несколько компонентов, обладающих специфическими ферментативными активностями. После их воссоединения наблюдается восстановление их способности осуществлять всю последовательность реакций, характерных для интактной мембраны. С другой стороны, смесь, в которой присутствуют все диссоциированные компоненты мембраны, не может

В. Tandler.)

осуществлять эту последовательность реакций. Таким образом, ясно, что важной функцией некоторых мембран является обеспечение высокоупорядоченного распределения ферментных субъединиц, катализирующих последовательные реакции.

По-видимому, можно сказать, что на одном конце спектра разных типов мембран находится метаболически инертная миелиновая оболочка (рис. 4-12) некоторых нервных клеток, липидной бислой которой, как правило, не имеет включений, а на другом конце спектра располагается высокоактивная в метаболическом отношении митохондриальная мембрана, почти целиком состоящая из регулярно расположенных ферментных субъединиц. Промежуточное положение между этими крайними случаями занимают поверхностная мембрана и большинство внутриклеточных мембран, в которых регулярность бислоя часто нарушается включением интегральных белков. Таким образом, базовая модель бислойной структуры с интегральными белками должна быть модифицирована для каждого типа мембран в соответствии с их функциональной специализацией.

Рис. 4.12. Электронная микрофотография миелиновой оболочки нервного волокна; поперечный срез. Оболочка образуется при многократном напластовании поверхностной мембраны шванновской клетки, спирально обматывающей нервное волокно. Увеличение 75000. (Peters, Vaughn, 1970.)

93

92 :: 93 :: Содержание

94 :: Содержание

4.3. Физические основы проницаемости мембран

4.3.1. Диффузия

Чтобы иметь возможность со знанием дела обсуждать механизмы переноса веществ через мембрану, необходимо рассмотреть физические аспекты перемещения растворенных веществ и растворителя в растворах и через полупроницаемые мембраны. Это перемещение рассматривается в рамках диффузионной концепции. Из-за случайного теплового движения суспендированных или растворенных молекул они постепенно распределяются равномерно по всему доступному объему, диффундируя из области с высокой концентрацией в область с низкой. Диффузия-очень медленный процесс. Молекулы кристалла сульфата меди, растворяющегося в воде, диффундируют так медленно, что для равномерного окрашивания 1 л неперемешиваемого раствора необходимо несколько суток. Однако на микроскопическом уровне, т.е. на уровне функционирующей клетки, время диффузии невелико - в некоторых случаях оно составляет по оценкам доли миллисекунды (10-3 с).

Скорость диффузии растворенного вещества можно определить с помощью уравнения диффузии Фика

где dQs/dt-скорость диффузии (т.е. количество вещества S, диффундирующего за единицу времени), Ds - коэффициент диффузии, А - площадь сечения, через которую диффундирует вещество, dCs/dx- концентрационный градиент (т. е. изменение концентрации с расстоянием). Чрезвычайно важной величиной здесь

является градиент dCs dx

вещество диффундирует вдоль градиента. Ds зависит от природы и молекулярной массы вещества и растворителя, которым в большинстве физиологических систем является вода.

94

94 :: Содержание

94 :: 95 :: Содержание

4.3.2. Трансмембранный поток

Если растворенное вещество находится по обе стороны проницаемой мембраны, то в каждом из направлений будут наблюдаться однонаправленные потоки (рис. 4 . 1 3 , А). Однонаправленный поток можно представить как количество растворенного вещества, которое пересекает единицу площади мембраны каждую секунду в данном направлении,

Рис. 4.13. Перенос вещества через мембрану. А. Однонаправленные потоки

между отсеками I и II. Б. Результирующий поток.

где J - однонаправленный поток через единицу площади мембраны, а dQs dt

количество растворенного вещества, пересекающего единицу площади мембраны за единицу времени (моль·см-2с-1) в рассматриваемом направлении. Будем считать, что поток в одном направлении (скажем, из клетки) не зависит от потока в противоположном направлении. Если входящий и выходящий потоки равны, суммарный поток равен нулю, если же однонаправленный поток больше в одном направлении, чем в другом, то имеется результирующий поток, равный разности двух однонаправленных потоков (рис. 4-13,5).

Проницаемость мембраны для данного вещества характеризует скорость, с которой это вещество пассивным путем проходит через мембрану в заданных условиях. Чем больше проницаемость, тем больше будет скорость (поток) при прочих равных условиях. Если предположить, что мембрана является гомогенной структурой и, следовательно, существует непрерывный градиент концентраций неэлектролита между отсеком с высокой его концентрацией (I) и с низкой (II), то

где dQs количество вещества S, пересекающего единицу площади мембраны в dt

единицу времени

94

(моль·см-2·с-1), CI и СII-концентрации вещества в отсеках I и II соответственно

(моль · см-3), Р- коэффициент проницаемости вещества, имеющий размерность скорости (см·с-1).

Необходимо отметить, что уравнение (4-3) применимо только в том случае, когда отсутствуют активный транспорт веществ и любые другие силы, помимо обусловливающих простую диффузию. Таким образом, из рассмотрения исключаются электролиты, поскольку при диссоциации они образуют электрически заряженные частицы и, следовательно, их перенос зависит не только от концентрационного градиента, но и от электрического (т.е. трансмембранной разности электрических потенциалов). Из уравнения видно, что поток неэлектролита должен быть линейной функцией концентрационного градиента (CI - СII). Такая линейная зависимость характерна для простой диффузии, поэтому она может служить полезным критерием для экспериментального исследования механизма транспорта вещества: простая диффузия или перенос иным путем. Коэффициент проницаемости зависит от свойств рассматриваемой мембраны и диффундирующего через нее вещества, т.е. от всех факторов, определяющих вероятность диффузии вещества через мембрану. Формально это можно представить следующим образом:

Рис. 4.14. Под действием осмотического давления вода переходит из отсека I в отсек II до тех пор, пока разность гидростатического давления не сравняется с направленной в противоположную сторону разностью осмотического давления. В этот момент поток становится равным нулю. В отсеке I находится чистая вода, в отсеке II-вода с непроникающим веществом.

гд е Dм - коэффициент диффузии вещества внутри мембраны (чем больше вязкость мембраны или чем больше молекула, тем ниже эта величина), К - коэффициент распределения вещества (разд. 4.5.1), x-толщина мембраны.

Коэффициенты проницаемости разных мембран для разных веществ сильно варьируют. Так, проницаемость мембран эритроцитов для различных веществ может составлять 10-12 - 10-2 см/с. Более того, проницаемость многих мембран для данного вещества сильно изменяется в присутствии гормонов и других веществ, которые связываются с ре-цепторными участками на мембране и влияют на размер канала или механизм действия переносчика. Например, антидиуретический гормон может увеличивать проницаемость мембран собирательных трубочек почки млекопитающих для воды в 10 раз. Аналогично, нейромедиаторы, действуя на особые участки мембран нервных и мышечных клеток, вызывают существенное увеличение проницаемости для таких ионов, как Na+ , K+, Са2+ или Сl-.

95

94 :: 95 :: Содержание

95 :: 96 :: Содержание

4.3.3. Осмос

Осмотическое давление-это очень важное коллигативное свойство 1 живых систем. Аббат Жан Антуан Нолле в 1748 г. обнаружил, что если по одну сторону животной мембраны (например, стенки мочевого пузыря) находится вода, а по другую - водный раствор какого-либо вещества, то вода переходит в раствор через мембрану. Такое движение воды вдоль ее концентрационного градиента называется осмосом (от греческого слова, означающего "усилие"). Позже было установлено, что это приводит к созданию градиента гидростатического давления. Как можно видеть из рис. 4-14, эта разность давлений вызывает подъем уровня раствора по мере диффузии в него воды через полупроницаемую мембрану. Подъем продолжается до тех пор, пока

95

Т а б л и ц а 4 - 1 . Результаты, полученные Пфеффером в опытах по измерению осмотического давления растворов сахарозы разной концентрации

(Getman, Daniels, 1931)

суммарная скорость перемещения воды через мембрану не станет равной нулю. Такое состояние возникает, когда гидростатическое давление раствора в отсеке II становится достаточным для выталкивания молекул воды назад через мембрану из отсека II в отсек I с той же скоростью, с которой под влиянием осмоса молекулы воды поступают из отсека I в отсек II. Обратное гидростатическое давление, необходимое для компенсации осмотической диффузии воды из отсека I в отсек II, называется осмотическим давлением раствора в отсеке II.

В 1877 г. Вильгельм Пфеффер (1899) выполнил первые количественные измерения осмотического давления. На поверхности пористых глиняных чашек он сформировал мембраны из ферроцианида меди, через которые молекулы воды диффундировали гораздо свободнее, чем молекулы сахарозы. Благодаря глиняной подложке эти мембраны были достаточно прочными, чтобы противостоять относительно высокому гидростатическому давлению. Некоторые полученные Пфеффером результаты представлены в табл. 4-1. Как видно из этой таблицы, осмотическое давление пропорционально концентрации

растворенного вещества.

Чтобы продемонстрировать роль полупроницаемой мембраны в создании осмотического давления, представим, что 1,0 М водный раствор сахарозы осторожно подслоен под 0,01 М водный раствор сахарозы. В этом случае будет происходить суммарная диффузия молекул воды из раствора с низкой концентрацией сахарозы (0,01 М) в раствор с высокой ее концентрацией (1,0 М) и диффузия сахарозы в обратном направлении. Поместим между этими двумя растворами мембрану, которая пропускает молекулы воды, но не сахарозы; тогда молекулы воды по-прежнему будут диффундировать из раствора, в котором их концентрации больше (0,01 М раствор сахарозы), в 1,0 М раствор сахарозы, где концентрация воды меньше. Сахароза же диффундировать не сможет, так как мембрана для нее непроницаема. В результате будет происходить диффузия воды ( осмотический поток) через мембрану из раствора с низкой концентрацией вещества в раствор с высокой его концентрацией.

Как мы увидим ниже, осмос лежит в основе переноса воды через многие биологические мембраны и эпителий.

Осмотическое давление к пропорционально не только концентрации С (1 моль растворенных частиц в I л растворителя - осмолярность; разд. 2.4) растворенного вещества, но также абсолютной температуре Т:

и

где К1 и К2 -коэффициенты пропорциональности. Якоб Вант-Гофф связал эти соотношения с уравнениями состояния идеальных газов и показал, что молекулы растворенного вещества ведут себя в растворе в термодинамическом отношении подобно молекулам газа, т.е. можно записать, что

где n - число молей растворенного вещества, R - газовая постоянная (0,082 л · атм/К · моль)1, V - объем в литрах. Однако, как и в случае газов, это выражение для осмотического давления справедливо только для разбавленных растворов и диссоциированных электролитов.

Рассчитаем, например, осмотическое давление 0,1 М водного раствора NaCl. При 25°С коэффициент активности 0,1 М NaCl равен 0,78. Таким образом, число моль-эквивалентов на литр раствора соли такой молярности будет

2·0,1·0,78 = 0,15631001.

Согласно уравнению (4-7),

96

1Коллигативными называются такие свойства растворов, которые зависят только от концентрации вещества, но не от его химической структуры.- Прим. перев.

95 :: 96 :: Содержание

96 :: 97 :: Содержание

4.3.4. Осмолярность и тоничность

Два раствора, в которых создается одинаковое осмотическое давление по разные стороны мембраны, проницаемой только для воды, называются изоосмотическими. Если же в одном из таких растворов осмотическое давление меньше, чем в другом, то он называется гипоосмотическим, а в противном

96

случае -гиперосмотическим по отношению к другому. Таким образом, осмолярностъ (или осмотичность) определяется исходя из поведения раствора в идеальном осмометре, мембрана которого свободно пропускает воду, но совершенно непроницаема для растворенного вещества. Все растворы, содержащие в единице объема одинаковое число растворенных частиц, имеют одинаковую осмолярность и, следовательно, являются изоосмотическими.

Тоничностъ определяется по реакции клеток или тканей на погружение их в раствор. Раствор называется изотоничным по отношению к данной клетке или ткани, если клетка или ткань, погруженные в него, не набухают и не сжимаются. Если ткань набухает, раствор называют гипотоничным по отношению к ткани, а если сжимается, то гипертоничным. Эти эффекты обусловлены перемещением воды через клеточную мембрану в ответ на разность осмотического давления, возникающую между содержимым клетки и внеклеточным раствором.

Если клетка ведет себя как идеальный осмометр, то тоничность и осмолярность будут идентичными, но это бывает крайне редко. Например, яйцо морского ежа не меняется в объеме, будучи помещенным в раствор NaCl, изоосмотичный морской воде, но набухает в растворе СаС1 2, также изоосмотичном морской воде. Следовательно, раствор NaCl изотоничен по отношению к содержимому яйца морского ежа, а раствор СаС12 гипотоничен. Тоничность раствора зависит от скорости накопления внутри клетки растворенного вещества, а также от его концентрации. Чем быстрее накапливается вещество, тем ниже тоничность раствора данной концентрации или осмолярности. Это связано с тем, что по мере нагружения клетки растворенным веществом в нее под действием осмотического давления проникает все больше воды, и она набухает. Таким образом, об изотоничности, гипертоничности и гипотоничности имеет смысл говорить лишь в рамках конкретного эксперимента, выполняемого на живых клетках или тканях.

97

1R - коэффициент пропорциональности в уравнении состояния идеального газа PV/T- R для 1 моля газа. Он равен 1,985 кал/моль·К; Р выражается в атмосферах, V-в литрах.

96 :: 97 :: Содержание

97 :: Содержание

97 :: 98 :: 99 :: Содержание

4.3.6. Доннановское равновесие

В 1911 г. физикохимик Фредерик Доннан исследовал распределение растворенных веществ в сосуде, разделенном на два отсека мембраной, которая была полностью проницаема для воды и электролитов и совершенно непроницаема для одного из типов ионов, находящихся в одном из двух отсеков. Как обнаружил Доннан, в этой системе диффундирующие вещества распределялись между двумя отсеками неодинаково.

Сначала в оба отсека была налита чистая вода, а затем в один из них добавлен КС1. Ионы К+ и С1- диффундировали через мембрану, пока система не пришла в равновесие, т.е. пока концентрации К+ и Сl- по обе стороны мембраны не выравнялись (рис. 4-15, А). Если в один из отсеков добавляли какую-либо калиевую соль, анион которой не был способен диффундировать через мембрану (это

97

Рис. 4.15.

А. Посла добавления КСl в отсек I ячейки, разделенной проницаемой мембраной,

ионы К+ и Сl- будут диффундировать через мембрану до тех пор, пока их концентрации в отсеках I и II не выравняются. Б. Если в отсек I добавить калиевую

соль какого-либо аниона, не пропускаемого мембраной, то некоторое количество К +

и Сl- перейдет в отсек II до установления электрохимического равновесия. (В отличие от живой клетки оба отсека ячейки нерастяжимы.)

могла быть макромолекула А , несущая множественный заряд), то происходило перераспределение К+ и Сl-, в результате которого устанавливалось новое

разность осмотических давлений плюс обусловленное ею повышение гидростатического давления в этом отсеке называется онкотическим давлением. Приведенные представления очень важны для изучения равновесия гидростатического и онкотического давлений по разные стороны биологических мембран, например стенки капилляров.

Рассматривая доннановское равновесие, мы для простоты считали систему идеальной. Живая клетка и ее поверхностная мембрана, конечно, такими системами не являются. "Недиффундирующий анион" в этом случае представлен различными боковыми анионными группировками белков и других макромолекул. Клеточная мембрана проницаема в той

98

Рис. 4.16. Алгебраические описание равновесного состояния, установившегося в системе, изображенной на рис. 4.15, Б, после добавления в отсек I непроникающего аниона.

или иной степени для многих ионов и молекул. Закономерности, полученные Доннаном, несомненно, играют роль в регуляции распределения электролитов в живых клетках, однако на это распределение влияют и определенные неравновесные механизмы, о которых мы будем говорить в следующем разделе. Таким образом, клетку нельзя считать пассивным осмометром, а трансмембранное распределение веществ не подчиняется полностью доннановским принципам.

99

97 :: 98 :: 99 :: Содержание

99 :: 100 :: Содержание

4.4. Осмотические свойства клеток

Усвоив эти физические принципы, мы можем вернуться к свойствам клеточной мембраны, которые ответственны за существование разности концентраций ионов внутри и снаружи клетки (рис. 4-17) и за регуляцию клеточного объема.

4.4.1. Стационарное состоящие

Внутриклеточная концентрация различных неорганических веществ зависит от типа клеток и от организма (табл. 4-2), однако можно подметить некоторые общие закономерности. Неорганический ион, концентрация которого в цитозоле наиболее велика, - это К+; его содержание в цитозоле в 10-30 раз выше, чем во внеклеточной жидкости. Напротив, внутриклеточная концентрация свободных ионов Na+ и Сl-, как правило, меньше (примерно 1: 10), чем внеклеточная. Еще одна важная закономерность состоит в том, что концентрация Са 2+ внутри клеток на несколько порядков ниже, чем во внеклеточной жидкости. Это обусловливается отчасти активным транспортом Са2+ наружу через клеточную мембрану, а отчасти поглощением этого иона другими органеллами, например митохондриями и ретикулумом. В результате активность Са 2+ в цитозоле обычно бывает существенно ниже 10-6М.

Рис. 4.17.

Типичные концентрации (в миллимолях) наиболее распространенных ионов в клетке скелетной мышцы позвоночного и во внеклеточной среде. Величина, указанная для

внутриклеточного Са2+, равна концентрации свободного иона в миоплазме. Поскольку список ионов неполон, то и точный баланс не соблюдается. [A] i

представляет собой концентрацию отрицательных зарядов, которые несут различные непроникающие анионы.

Как правило, клеточные мембраны гораздо более (примерно в 30 раз) проницаемы для К+ , чем для Na+. Проницаемость мембран для Сl- варьирует. У одних клеток она близка к проницаемости для К+, у других ниже. Проницаемость клеточной мембраны для Na+ довольно низка, но все же не настолько, чтобы полностью предотвратить проникновение этого катиона в клетку.

Исходя из того, что мембрана проницаема в той или иной степени для очень многих ионов, рассмотрим, какой вклад вносит доннановское равновесие в стационарное распределение ионов между клеточным содержимым и внеклеточной жидкостью. Рассмотрим три взаимосвязанных фактора.

1. Суммарный заряд, который несут карбоксильные группы пептидных и белковых молекул, отрицателен. Эти молекулы не проникают через мембраны и остаются в клетке. Их отрицательный заряд должен быть уравновешен положительно заряженными противоионами - Na+, К+, Mg2+ и Са2+ .

Т а б л и ц а 4 - 2 . Внутри- и внеклеточная концентрация электролитов в некоторых нервных и мышечных тканях

99

2. Поскольку такие немобильные анионные группировки находятся как бы "в ловушке", возникает ситуация, в какой-то степени аналогичная представленной на рис. 4-15, Б. В этой системе устанавливается доннановское равновесие, характеризующееся тем, что концентрация диффундирующего катиона в клетке выше, чем во внеклеточной среде. Если бы диффундирующие ионы были представлены только ионами К+ и Сl+, то в клетке действительно установилось бы такое равновесное состояние, как в системе на рис. 4-15,Б. Однако клеточная мембрана проницаема для Na+ и других неорганических ионов, и если бы они накапливались в клетке, возникающие при этом осмотические силы привели бы к проникновению в клетку воды и к ее набуханию.

3. Такой осмотической катастрофы клеткам удается избежать благодаря способности клеточной мембраны откачивать Na + , Ca2+ и некоторые другие ионы с такой же скоростью, с какой они поступают в клетку; при этом внутриклеточная концентрация Na+ поддерживается на уровне, на порядок меньшем, чем снаружи. Механизм активного переноса мы рассмотрим ниже. Здесь же отметим лишь, что в результате этого мембрана оказывается

эффективно непроницаемой для Na+ и Са+, концентрации Na+ и Са2+ не достигают равновесных значений и на первый взгляд клетка во многом ведет себя так, как будто она находится в состоянии доннановского равновесия. На самом же деле неравномерное распределение ионов больше соответствует стационарному состоянию, для поддержания которого необходим постоянный приток энергии (расходуемой на работу ионных насосов), нежели истинному равновесию.

Поскольку концентрация ионов К+ и Сl- в тканях наиболее велика и проницаемость мембран для них тоже наибольшая, они распределяются в соответствии с доннановским равновесием в идеальных системах, т.е. произведение [К+]·[Сl-] внутри и вне клетки примерно одинаково (рис. 4-18).

Рис. 4.18.

Равенство произведений [К+]·[Сl-] внутри и вне клетки. Когда мембрана проницаема

и для К+, и для Сl+, распределение К+ и Сl- определяется доннановским равновесием

100

99 :: 100 :: Содержание

Рис. 4.20. В гиперосмотическом растворе совершенно пепронтающего вещества клетка постоянно находится в сжатом состоянии. Раствор в этом случае является также и гипертоничным. Если растворенное вещество медленно проникает в клетку, то вслед за ним движется вода, и клетка постепенно набухает. В этом случае раствор является гипотоничным, несмотря на его гиперосмотичность.

В стационарном состоянии ионы Na+ , в основном ответственные за создание осмотического давления, выводятся из клетки с помощью активного транспорта с такой же скоростью, с какой поступают в клетку пассивным путем. В результате суммарный поток оказывается равным нулю. Эта система в осмотическом отношении равноценна клетке, мембрана которой полностью непроницаема для Na+ , и концентрация Na+ , захваченного клеткой, остается постоянной. Поскольку Na+ в клетке больше не накапливается, отсутствует и компенсирующий поток воды, направленный внутрь.

Низкая внутриклеточная (по сравнению с внеклеточной) концентрация натрия существенна для уравновешивания других осмотически активных растворенных веществ в цитоплазме. Важная роль активного транспорта в поддержании натриевого градиента и, следовательно, осмолярности клетки и ее объема становится очевидной, когда превращение энергии в клетке подавляется под действием метаболических ядов (рис. 4-21). В отсутствие АТР, который обеспечивает энергией перенос Na+ против градиента, ион натрия вместе с противоионом Сl- поступает внутрь клетки, вслед за ними под действием осмотического давления в клетку поступает вода, и клетка набухает.

101

100 :: 101 :: Содержание

В присутствии ингибитора метаболизма клетка утрачивает способность откачивать

Na+, постоянно поступающий в нее. В результате [Na+]i увеличивается, вода за счет осмоса входит в клетку, она набухает и лопается.

101

Рис. 4.22. Три основных механизма переноса веществ через мембрану. А. Растворение в липидной фазе. Б. Диффузия через лабильные или фиксированные водные каналы. В. Транспорт, опосредованный переносчиком (облегченная диффузия или активный транспорт).

102

101 :: 102 :: Содержание

102 :: 103 :: Содержание

4.5.1. Простая диффузия через липидный бислой

Молекула растворенного вещества, контактирующая с липидным бислоем, может погрузиться в липидную фазу в силу теплового движения и пересечь липидный бислой, оказавшись в конечном счете в водной фазе по другую сторону мембраны. Чтобы перейти из водной фазы в липидную, растворенная в воде молекула должна сначала разорвать все водородные связи с водой. На это нужна энергия-около 5 ккал на моль водородных связей. Далее молекула должна раствориться в липидном бислое. Следовательно, вероятность того, что данная молекула пересечет мембрану, будет, в частности, зависеть от ее жирорастворимое™. Таким образом, ясно, что молекулы, образующие с водой минимальное число водородных связей, будут быстро внедряться в липидный бислой, в то время как полярные молекулы, например неорганические ионы, вряд ли растворятся в нем.

На подвижность неэлектролитов внутри мембраны влияют такие факторы, как молекулярная масса и форма молекул [уравнение (4-4)], но основным параметром, определяющим скорость диффузии неэлектролита через липидный бислой, является его коэффициент распределения между липидной и водной фазами. Чтобы определить этот коэффициент, в пробирку наливают равное количество воды и оливкового масла, добавляют в эту смесь исследуемое вещество, плотно закрывают пробирку и встряхивают ее. Затем определяют концентрацию вещества в масле и воде и находят коэффициент распределения по формуле

(4-10)

В конце XIX в. Овертон предположил, что проникающая способность неэлектролита коррелирует с его коэффициентом распределения между липидом и водой. Рунар Колландер (1937) провел систематическое исследование этой зависимости на гигантских клетках пресноводной водоросли Chara. Построенный им график зависимости проницаемости [уравнение (4-4)] от коэффициента распределения представлен на рис. 4-23. Из графика следует, что между жирорастворимостью и проникающей способностью вещества существует практически линейная зависимость. Спектр коэффициентов распределения для неэлектролитов весьма широк. Например, для уретана этот коэффициент в 1000 раз выше, чем для глицерола (рис. 4-23). Причину такого различия можно выявить, сравнив структурные формулы двух молекул, гексанола и D-маннитола,

Рис. 4.23. Зависимость проницаемости мембраны для неэлектролитов от их коэффициентов распределения в системе масло/вода. Заметим, что проницаемость для неэлектролитов не зависит от размера молекул. (Collander, 1937.)

102

Рис. 4.24. Структурные формулы двух шестиуглеродных молекул - гексанола и маннитола. Обратите внимание на различие в числе гидроксилъных групп. Гексанол слабо растворим в воде и хорошо растворим в липидах, тогда как маннитол хорошо растворим в воде и слабо - в липидах из-за своей способности образовывать водородные связи.

Рис. 4.25. Взаимосвязь между коэффициентом проницаемости и числом водородных связей, которые может образовывать молекула данного вещества. Чем больше число водородных связей, тем меньше растворимость в липидах и соответственно меньше коэффициент проницаемости. (Stein, 1967.)

показанные на рис. 4-24. Структура молекул совершенно идентична, за исключением того, что гексанол содержит только одну ОН- - группу, а маннитол шесть. Гидроксильные группы образуют водородные связи с водой, благодаря чему снижается растворимость соответствующих веществ в липидах. Образование одной водородной связи приводит к уменьшению коэффициента распределения в 40 раз, что сопровождается уменьшением проникающей способности (рис. 4-25). Все это приводит к тому, что гексанол диффундирует через мембраны гораздо быстрее маннитола.

Вода проникает через клеточные мембраны гораздо легче, чем это следует из ее коэффициента распределения (рис. 4-23). Отчасти это связано с тем, что вода может поступать в клетку через особые каналы, пронизывающие липидный бислой. Однако проницаемость для воды искусственных, не содержащих каналов липидных бислоев все же в несколько раз выше, чем та, что следует из растворимости воды в углеводородах с большой длиной цепи. По-видимому, это обусловлено тем, что маленькие незаряженные молекулы воды могут проходить сквозь временные каналы, образующиеся между молекулами липидов. Относительно высокой проникающей способностью при прохождении через искусственные и природные мембраны обладают и другие малые незаряженные полярные молекулы, например СО2.

Простая диффузия через липидный бислой характеризуется кинетикой без насыщения (рис. 4-22, А). Скорость переноса увеличивается пропорционально концентрации растворенного вещества во внеклеточной жидкости, поскольку результирующая скорость переноса определяется разностью в числе растворенных молекул, соударяющихся с мембраной по разные ее стороны. Эта пропорциональность между концентрацией во внеклеточной среде и скоростью проникновения вещества в клетку в широком диапазоне концентраций отличает простую диффузию от переноса, осуществляемого через каналы или с помощью переносчика (рис. 4-22).

103

102 :: 103 :: Содержание

103 :: 104 :: Содержание

4.5.2. Диффузия через мембранные каналы

Заряженные молекулы, в том числе такие неорганические ионы, как Na+, K+, Са2+ и Сl-, неспособны проникать через мембраны путем простой диффузии через липидный бислой. Селективная проницаемость клеточных мембран для этих полярных гидрофильных ионов предполагает наличие в мембранах специфических заполненных водой каналов, сквозь которые и могут диффундировать эти ионы. О существовании таких каналов свидетельствуют результаты исследований искусственных липидных бислойных мембран (дополнение 4-2). Эти мембраны имеют очень низкую проницаемость для неорганических ионов, однако при добавлении к ним небольшого количества каналообразующих белков, экстрагированных из клеточных мембран, наблюдается существенное увеличение ионной проницаемости-она становится близкой к проницаемости природных клеточных мембран. Встраивание каналообразующих белков в искусственный бислой сопровождается появлением дискретных импульсов тока, носителем которого являются ионы, переходящие с одной стороны мембраны на другую. Эти единичные токи обусловлены открыванием индивидуальных каналов, через которые внутрь клетки проникают тысячи ионов в секунду. Аналогичные дискретные трансмембранные импульсы тока были

103

Рис. 4.26, Поперечный срез в окрестности мембранного канала, выстланного положительными зарядами (упрощенное схематическое представление). Положительные заряды не препятствуют прохождению анионов, но замедляют диффузию катионов.

позднее зафиксированы в природных клеточных мембранах (см. рис. 5-28).

По оценкам, полученным при исследовании проницаемости клеточных мембран для других полярных веществ, эквивалентный размер пор составляет 0,7 нмименно такой диаметр пор можно получить исходя из скорости диффузии через мембрану. Таким образом, в основном мембранные каналы имеют диаметр менее 1,0 нм, что близко к пределу разрешения современных

электронных микроскопов и методов фиксации препаратов.

Отметим, что для обеспечения наблюдаемой скорости диффузии полярных веществ через мембраны достаточно, чтобы на долю ионных и водных каналов приходилась лишь очень малая часть площади мембраны. Рассмотрим следующий пример. При введении по обе стороны мембраны-природной или искусственной-антибиотика нистатина его стержнеобразные молекулы агрегируют и образуют каналы в мембранах. Через эти каналы могут проходить вода, мочевина, хлорид-ионы, любые молекулы, чей диаметр не превышает 0,4 нм. Катионы проходить через мембрану не могут-прежде всего потому, что вдоль стенок канала находятся фиксированные положительные заряды (рис. 4- 26). Включение нистатина в искусственные мембраны сопровождается лишь незначительным увеличением их площади (0,001-0,01%), но приводит к 100000кратному увеличению мембранной проницаемости для ионов хлора. Следовательно, ионными каналами, полностью обеспечивающими ионную проницаемость природных мембран, может быть занята лишь небольшая часть их площади. Об этом же свидетельствует и тот факт, что электрическая емкость клеточной мембраны почти не меняется при возбуждении мембраны и многократном увеличении ее проницаемости (см. гл. 5).

104

103 :: 104 :: Содержание

104 :: 105 :: Содержание

4.5.3. Облегченная диффузия

При транспорте некоторых веществ наблюдается кинетика с насыщением, т.е. скорость поступления вещества выходит на плато, по достижении которого дальнейшее увеличение концентрации вещества не приводит к ее росту (см. рис. 4-22, В). Подобную кинетику с насыщением рассматривают как указание на то, что процесс переноса имеет лимитирующую стадию. Это может быть: 1) связывание проникающей молекулы с определенным участком внутри канала или вблизи него или(и) 2) транспорт вещества через мембрану с помощью переносчика, который свободно диффундирует внутри мембраны от одной стороны к другой и, таким образом, ускоряет перенос вещества через мембрану. Поскольку число молекул переносчика и скорость, с которой они реагируют с переносимым веществом и пересекают мембрану, конечны, скорость опосредованного транспорта должна достигать максимума, когда все молекулы переносчика заняты данным веществом.

Рис. 4.27. Влияние конкурентного ингибитора на кинетику

транспорта субстрата (S), молекулы которого проходят через мембрану. В присутствии ингибитора (аналога субстрата) скорость транспорта уменьшается. А. Накопление S в присутствии ингибитора замедляется. Б. Графики Лайнуивера-Бэрка, иллюстрирующие конкурентный характер ингибирования.

104

Гипотеза опосредованного переносчиком транспорта предполагает образование комплекса переносчик-субстрат, подобного комплексу фермент - субстрат; таким образом, переносчик и переносимое вещество формируют комплекс, специфичность образования которого определяется химическими связями и/или стерическими особенностями. В рамки этой гипотезы укладывается наблюдаемая кинетика опосредованного переносчиком транспорта, которая соответствует кинетике Михаэлиса-Ментен. В обоих случаях число взаимодействий с переносчиком или ферментом достигает

максимума, когда все молекулы переносчика или фермента заняты молекулами субстрата. Характерной особенностью процесса является также ингибирование транспорта некоторыми химическими аналогами субстрата. В присутствии этих аналогов снижается скорость транспорта субстрата через мембрану при заданной концентрации субстрата (рис. 4-27,A). Две кривые в координатах Лайнуивера-Бэрка (рис. 4-27,Б) пересекают ось ординат в одной и той же точке при бесконечной концентрации субстрата (т.е. когда 1/[S] = 0), что указывает на конкурентный характер ингибирования, а не на необратимое повреждение транспортной системы.

105

104 :: 105 :: Содержание

105 :: 106 :: 107 :: Содержание

4.6.Активный транспорт

Ипростая диффузия через каналы в мембране или липидный бислой, и облегченная диффузия-это пассивные процессы, в которых высвобождается только потенциальная энергия, запасенная в форме разности концентраций вещества на противоположных сторонах мембраны. В ходе диффузии концентрация вещества в двух отсеках стремится к равновесному значению (рис. 4-28), и по достижении равновесия суммарный диффузионный поток становится равным нулю, хотя равные по величине и противоположные по направлению потоки по-прежнему существуют. Напомним, что если молекула несет суммарный электрический заряд и если разность потенциалов по разные стороны мембраны не равна нулю, то концентрации вещества в отсеках будут, конечно, неодинаковыми.

Большинство растворенных веществ распределены относительно поверхностной мембраны живых клеток неравновесно. Эта неравновесная трансмембранная разность концентраций поддерживается благодаря активным процессам, протекающим в мембране, которые постоянно потребляют химическую энергию, запасенную в основном в форме АТР. Эти довольно мало изученные системы, с помощью которых осуществляется активный транспорт веществ против их концентрационного градиента, обобщенно называют мембранными насосами. Если отключить источник энергии такого насоса, то активный транспорт прекратится, распределение вещества, для которого мембрана проницаема, начнет определяться пассивной диффузией и концентрация вещества постепенно сместится к равновесному уровню (рис. 4- 29).

Рис. 4.28. Установление концентрационного равновесия

растворенного вещества путем диффузии через мембрану. Вначале растворенное вещество находится только в отсеке 1. В конце концов концентрации в отсеках I и II выравниваются.

Ионы натрия, например, активно выводятся из клетки через мембрану с такой же скоростью, с какой поступают в нее. Этот активный транспорт обеспечивается натриевым насосом - некой АТР-за-висимой ферментной системой, функционирующей в клеточной мембране. В стационарном

состоянии число откачиваемых или транспортируемых из клетки ионов натрия равно числу этих ионов, пассивно диффундирующих в клетку. Таким образом, даже при непрерывном обороте ионов Na+ (и других видов ионов) через мембрану суммарный натриевый поток за любой период времени равен нулю.

Рис. 4.29. Активный транспорт ионов требует затрат метаболической энергии. Если поступление энергии блокируется ингибитором метаболизма, то активный транспорт подавляется.

105

Величина трансмембранного градиента концентраций Na+ определяется двумя факторами: 1) скоростью активного транспорта Na+ из клетки; 2) скоростью его пассивной диффузии назад в клетку. Скорость, с которой ионы натрия могут пассивным путем диффундировать через мембрану, определяет ту интенсивность, с которой должен работать натриевый насос, чтобы поддерживать заданное отношение содержания Na + по разные стороны мембраны. Имеются данные, что увеличение внутриклеточной концентрации Na+ сопровождается увеличением скорости выкачивания Na+ насосом; это может быть связано исключительно с тем, что для переносчика становится доступно большее количество внутриклеточного Na+ .

Активный транспорт имеет следующие основные особенности.

1.Транспорт осуществляется против концентрационного градиента. Чаще всего изучают работу натриевого насоса, переносящего ион Na+ из клетки во внеклеточную среду. Концентрация свободного Na+ в цитоплазме обычно составляет одну десятую от его концентрации во внеклеточной жидкости.

2.Система активного транспорта в основном в высшей степени специфична.

Натриевый насос, например, не способен переносить ион лития, хотя по своим свойствам последний очень близок к натрию.

3.Для активного транспорта необходима АТР или другие источники химической энергии. Метаболические яды, подавляющие синтез АТР, замедляют и активный транспорт (рис. 4-29).

4.Некоторые мембранные насосы обменивают одну разновидность молекул или ионов с одной стороны мембраны на другую с противоположной стороны. Это свойство можно проиллюстрировать активным выведением Na+, сопровождаемым транспортом К+ в клетку благодаря работе натриевого насоса. Этот процесс включает в себя обязательный обмен двух

ионов калия во внеклеточной среде на три иона натрия в клетке (рис. 4-30). Если удалить ионы К+, то ионы Na+, которые в норме должны были бы обмениваться на ионы К+, больше выводиться не будут.

5.Некоторые насосы выполняют электрическую работу, осуществляя суммарный перенос заряда. Например, только что упомянутый насос, производящий обмен Na+ и К+, осуществляет суммарное выведение одного положительного заряда, обменивая три иона Na+ на два иона К+. Подобные ионные насосы называют реогеннымщ поскольку они создают электрический ток. Если этот ток приводит к заметному изменению трансмембранного потенциала, то насос называют также электрогенным.

6.Активный транспорт может избирательно подавляться блокирующими агентами. Сердечный гликозид уабаин, введенный во внеклеточную среду, блокирует калийзависимое активное выведение Na+ из клетки, конкурируя за К+-связывающий участок в Na+ - К+ - насосе, расположенный на наружной поверхности мембраны.

7.Энергия, необходимая для активного транспорта, высвобождается при гидролизе АТР ферментами (АТРазами), присутствующими в мембране.

Активный транспорт подчиняется кинетике Михаэ-лиса-Ментен и испытывает конкурентное ингибирование молекулами-аналогами; все это характерно для ферментативных реакций. АТРазы, активируемые кальцием, связаны с мембранами, через которые выводится кальций. Из мембран эритроцитов и других клеток выделены АТРазы, активируемые натрием и калием и связанные с Na+-насосом. Эти ферменты катализируют гидролиз АТР до ADP и неорганического фосфата только в присутствии Na+ и К+ и связывают специфический ингибитор натриевого насоса уабаин. Поскольку уабаин связывается с мембраной и блокирует Na+-K+-Hacoc, эти данные указывают на участие выделенных АТРаз в активном транспорте натрия и калия и предполагают, что они являются составной частью Na +-К+-насоса.

Рис. 4.30.

Na+-K+-насос, использующий энергию гидролиза АТР. Возможный механизм активного транспорта представлен на рис. 4.31.

связывать субстрат на внешней поверхности. Аналогичную модель можно построить для транспорта в обратном направлении.

107

105 :: 106 :: 107 :: Содержание

Рис. 4.32.

Первый постулат, лежащий в основе хемиосмотической гипотезы преобразования энергии по Митчеллу (см. текст). Как показано на этой упрощенной схеме, протоны выводятся из митохондрий с помощью электронтранспортной цепи за счет энергии

окисления. Для осуществления однонаправленного переноса Н+ необходима высокая структурная упорядоченность в размещении молекул дыхательной цепи (кружки) во внутренней митохондриальной мембране. В результате работы этой

системы происходит накопление Н + со стороны цитоплазмы и ОН- -с обратной стороны.

Н+ (т.е. понижению рН) снаружи ее. 2. Формирующийся таким образом высокоэнергетический протонный градиент служит источником свободной энергии для реакции удаления НОН из ADP + P i в результате чего образуется АТР:

Согласно теории Митчелла, эта реакция зависит также от физической ориентации АТРазного комплекса во внутренней мембране митохондрии - она должна быть такой, чтобы фермент мог использовать трансмембранное разделение Н+ и ОН-. По-видимому, протон, высвобождающийся ферментативным путем из ADP, поступает в обогащенное ОН - внутреннее пространство митохондрии, где образуется НОН (рис. 4-33). Группа ОН -, отщепляемая от неорганического фосфата, выводится наружу и, реагируя с избыточным Н+ , образует НОН. Таким образом, градиент Н+/ОН- обеспечивает необходимой энергией реакцию отщепления воды при фосфорилировании. Вслед за гидратацией активный центр АТРазы образует фосфатную связь

без дальнейших затрат энергии.

Хемиосмотическое преобразование энергии, аналогичное тому, которое предположительно происходит при окислительном фосфорилировании в митохондриях, по-видимому, имеет место при фотосинтезе в хлоропластах и фотосинтезирующих бактериях. Кроме того, есть данные о том, что в некоторых условиях происходит обращение функционирования Na +-К+-насоса, который в норме использует энергию АТР для формирования градиента Na+ . В этом случае при перемещении Na+ по градиенту насос может участвовать в синтезе АТР из ADP и Pi.

3. Транспорт веществ против градиента. Перемещение некоторых молекул против их концентрационного градиента осуществляется за счет перемещения какого-то другого вещества по его концентрационному градиенту. Так, с помощью градиента Na+ происходит перенос через мембрану некоторых Сахаров и аминокислот путем симпорта (котранспорта) и выведение из клетки Са2+ путем антипорта (контртранспорта). Рассмотрим эти способы транспорта более подробно.

Рис. 4.33.

Второй постулат, лежащий в основе хемиосмотической гипотезы преобразования энергии по Митчеллу (см. текст). Благодаря активности F1 АТРазы, расположенной

во внутренней митохондриалъной,мембране, ADP и P i высвобождают соответственно Н+ и ОН- внутрь митохондрии и в цитоплазму. В результате происходит конденсация Р+i и ADP с образованием АТР.

108

107 :: 108 :: Содержание

109 :: 110 :: Содержание

4.7.1. Симпорт (котранспорт)

На рис. 4-34 приведены кинетические данные о накоплении в клетке (перенос против градиента) аминокислоты аланина в присутствии и в отсутствие внеклеточного натрия. В присутствии Na+ аминокислота поглощается клеткой до тех пор, пока ее внутренняя концентрация в 7-10 раз не превысит внешнюю. В отсутствие Na+ внутриклеточная концентрация аланина не превышает внеклеточную. Согласно графику Лайнуивера-Бэрка, максимальная скорость поглощения аланина одинакова (она определяется точкой пересечения с осью ординат) как в присутствии Na + , так и без него. В обоих случаях поглощение характеризуется кинетикой с насыщением, что указывает на участие в процессе переносчика. Разный наклон двух графиков объясняется тем, что внеклеточный Na+ увеличивает активность переносчика аланина. Если блокировать натриевый насос с помощью уабаина и таким образом повысить внутриклеточную концентрацию Na+ , то эффект будет аналогичен снижению внеклеточной концентрации Na+ . Таким образом, повидимому, для внутриклеточного транспорта аланина существен именно градиент концентрации натрия, а не исключительно присутствие ионов натрия во внеклеточной жидкости.

Рис. 4.34.

Зависимость поглощения клеткой аминокислоты аланина от концентрации Na +. А. Внутриклеточная концентрация аланина как функция времени в присутствии и в

отсутствие внеклеточного Na+. Б. График Лайнуивера-Бэрка поглощения аланина в

присутствии и в отсутствие внеклеточного Na+. По оси абсцисс отложена величина, обратная внеклеточной концентрации аланина. Прямые пересекают ось ординат в

одной точке; это указывает на независимость скорости транспорта от [Na+ ]0 при бесконечной концентрации аланина. (Schultz, Curran, 1969.)

Рис. 4.36.

Транспорт аминокислот и Сахаров зависит в конечном счете от химической энергии, запасенной в АТР в процессе клеточного метаболизма. Концентрационный

градиент Na+ можно рассматривать как некую промежуточную форму потенциальной энергии, используемую для перемещения органических молекул против их концентрационных градиентов.

сторонами мембраны без непосредственных затрат метаболической энергии. Сопряженный транспорт органических молекул против градиента черпает энергию из диффузии по градиенту ионов натрия, но потенциальная энергия, запасенная в градиенте натрия, конечно, имеет' своим источником метаболическую энергию, которая обеспечивает функционирование натриевого насоса (рис. 4-36). Концентрационный градиент натрия можно рассматривать как некую промежуточную субстанцию в процессе преобразования энергии, расходуемой на обеспечение некоторых мембранных функций.

110

109 :: 110 :: Содержание

110 :: Содержание

4.7.2. Антипорт (контртранспорт)

Натриевый концентрационный градиент участвует и в поддержании очень низкой внутриклеточной концентрации кальция в некоторых клетках. В большинстве клеток (а возможно, и во всех) внутриклеточная концентрация кальция на несколько порядков ниже внеклеточной (< 10 -6 М), а регуляция некоторых функций клетки осуществляется путем изменения внутриклеточной концентрации этого иона. Выведение Са2+ из клеток снижается, если удалить из внеклеточной среды Na + . Это позволяет предположить, что Са2+ выводится из клетки в обмен на пассивно поступающий в нее Na+ и противоположно направленные потоки этих ионов, сопряженные друг с другом, обеспечиваются переносчиком-обменником. Существует представление, что Са2+ и Na2+ конкурируют за один и тот же переносчик, но Са2+ оказывается более конкурентоспособным внутри клетки, чем снаружи, поэтому и возникает суммарный поток Са2+ из клетки. Исходным источником энергии этого процесса опять является градиент Na2+, который в конечном счете формируется за счет АТР-зависимого активного транспорта Na2+. Этот насос-обменник особенно важен, когда внутриклеточная концентрация Са 2+ становится аномально высокой. Имеются данные, что Са2+ транспортируется независимо от натриевого градиента с помощью АТР-зависимого Са 2+-насоса, который в норме играет основную роль в выведении Са2+.

В качестве другого важного примера антипорта можно привести Na+ -H+- обмен в проксимальных канальцах почек млекопитающих, изученный наиболее глубоко (см. гл. 12). В этом случае выведение Н + из клеток, выстилающих почечный каналец, в просвет канальца сопряжено с поглощением клетками Na+ в стехиометрическом отношении 1:1. Такая стехиометрия обеспечивает следующие преимущества: 1) не приходится затрачивать энергию на выполнение электрической работы, поскольку происходит обмен двух одинаковых положительных зарядов; 2) почки получают возможность "откачивать" Na+ из мочи и "сбрасывать" избыток протонов. На+-Н+ -обменник в противоположность Na+-K+-насосу ориентирован таким образом, чтобы осуществлять перенос Na+ из просвета канальца в клетку. Кроме того, этот обменный механизм не относится к механизмам первичного активного транспорта, непосредственным источником энергии которых является АТР. Nа +- Н+-обменник-это система вторичного активного транспорта, где источником энергии служит электрохимический градиент одного или обоих транспортируемых ионов. Энергия запасена в концентрационном градиенте Na+, который направлен из просвета канальца в клетку. Этот градиент поддерживается за счет удаления Na+ из клетки Na+- К + -насосом, локализованным в мембране на другой стороне клетки, обращенной к плазме и крови.

110

110 :: Содержание

110 :: 111 :: Содержание

4.8. Селективность мембран

Каждой разновидности мембранного транспорта присуща селективность, причем эта селективность обычно различается для разных транспортных систем, находящихся в одной мембране. Например,

110

при замене натрия в физиологическом солевом растворе, куда помещена нервная клетка, на литий последний быстро поступает в клетку через натриевые каналы, которые открываются во время электрического возбуждения мембраны. Для катионов других щелочных металлов - К+, Рb+ и Сs+-эти каналы по существу непроницаемы. С другой стороны, АТРаза натриевого насоса в той же самой мембране высокоспецифична к внутриклеточному Na+ и не активируется ионами лития. Таким образом, ионы лития постепенно накапливаются в клетке, пока не достигается состояние электрохимического равновесия (см. разд. 5.3). Это примеры селективности к электролитам. Мы рассмотрим примеры селективности как к электролитам, так и к неэлектролитам.

111

110 :: 111 :: Содержание

111 :: Содержание

4.8.1. Селективность к электролитам

Чаще всего в качестве примера селективности приводят способность невозбужденной мембраны "отличать" ион К+ от другого основного моновалентного катиона, Na + . Нервная клетка в состоянии покоя примерно в 30 раз более проницаема для К+, чем для Na+. С первого взгляда может показаться, что эти ионы различаются по размеру их гидратной оболочки, т.е. К + свободно проникает через каналы, которые оказываются слишком узкими для Na+. Однако гипотеза "просеивания" не в состоянии адекватно объяснить большинство других вариантов мембранной селективности. Например, во время возбуждения мембраны нервной или мышечной клетки проницаемость мембраны для Na+ возрастает примерно в 300 раз-до величины, приблизительно в 10 раз большей, чем проницаемость для К+ в покое. Если бы при возбуждении в мембране произошло срабатывание каналов, через которые ион Na+ мог проходить только в соответствии со своим размером, то, согласно гипотезе "просеивания", должно было бы наблюдаться одновременное повышение проницаемости для К + благодаря этим же каналам. Поскольку такого увеличения не происходит, ясно, что в основе селективности мембраны лежат другие принципы, а не размер ионов.

Рис. 4-26 иллюстрирует другой механизм ионной проницаемости. На нем представлен гипотетический мембранный канал с фиксированными зарядами, сообщающими стенкам суммарный положительный заряд. Такой канал должен пропускать анионы подходящего размера и препятствовать прохождению катионов из-за электростатического отталкивания.

Джеред М. Дайамонд и Эрнст М. Райт, просмотрев данные по селективности различных мембран, установили, что почти все мембраны в экспериментальных условиях обнаруживают какую-то одну последовательность селективностей для катионов щелочных и щелочноземельных металлов (Са 2+, Rb+ , K+, Na+ и Li + ) из возможных 11. Для одних мембран селективность повышается с уменьшением диаметра иона, тогда как для других-с увеличением. Поскольку последовательностей, определяемых размером иона, только две, а наблюдается 11, то, по-видимому, селективность мембраны не определяется непосредственно размером иона, гидратированного или нет; в первую очередь на нее влияют другие, не столь очевидные параметры.

Термодинамические аспекты взаимодействий ионов с электростатическими участками ферментов и мембран рассмотрены в гл. 2. Вероятность связывания иона полярным участком мембраны определяется разностью между силой электростатического взаимодействия этого иона с водой и с этим специфическим, несущим электрический заряд участком мембраны. Чем она больше, тем успешнее конкурирует ион с другим ионом за этот участок. Данная теория не объясняет механизма проницаемости, но она позволяет высказать

соображения о том, почему некоторые ионы способны проходить через канал или связываться с его внутренней поверхностью либо образовывать комплекс с молекулой переносчика с большей вероятностью, чем другие.

111

111 :: Содержание

111 :: Содержание

4.8.2. Селективность к неэлектролитам

Как видно из рис. 4-23, для неэлектролитов характерна линейная зависимость между проникающей способностью и коэффициентом распределения. Именно характер этой зависимости позволил сделать вывод, что указанные незаряженные вещества просто растворяются в липидном бислое мембраны и диффундируют через него. Согласно уравнению (4-4), это означает, что проникающая способность указанных на рисунке неэлектролитов лимитируется в первую очередь коэффициентом распределения К. Для тех немногих неэлектролитов, чьи параметры не укладываются в линейную зависимость, представленную на рис. 4-23, характерна большая проникающая способность, чем это следует из их коэффициентов распределения. Одно из объяснений состоит в том, что эти вещества перемещаются через мембрану с помощью переносчика и, таким образом, обнаруживают большую проникающую способность, чем та, что следует из допущения о простой диффузии через липидный бислой. Другой причиной указанных отклонений может быть прохождение малых молекул (этанола, метанола, мочевины) через заполненные водой каналы в липидном бислое. Для всех этих веществ характерны малый размер молекул и растворимость в воде, хотя они и имеют разное отношение растворимостей вода/липид (т.е. разные коэффициенты распределения).

111

111 :: Содержание

112 :: 113 :: Содержание

4.9. Эндоцитоз и экзоцитоз

Плазматическая мембрана способна транспортировать внутрь клетки или из нее некоторые вещества в составе маленьких пузырьков (везикул). Эти везикулы образуются из небольшого впячивания или ямки на поверхности мембраны. При отшнуровывании в цитоплазму везикулы захватывают некоторые вещества и переносят их внутрь клетки (рис. 4-37). Переваривание или разрушение везикул приводит к высвобождению их содержимого в цитозоль. Этот процесс известен под общим названием эндоцитоз; при этом, если поглощается жидкость, говорят о пиноцитозе, а если поглощаются твердые частицы -о фагоцитозе. На молекулярном уровне проявление одной из форм эндоцитоза, а именно опосредованного медиатором, обусловлено наличием рецепторных молекул, погруженных в клеточную мембрану. Они связывают лиганды- молекулы или частицы, которые включают различные плазматические белки, гормоны, токсины, иммуноглобулины и некоторые другие вещества, не способные проходить по мембранным каналам. Рецепторы могут диффундировать в плоскости мембраны, но при связывании лиганда образуется комплекс рецептор - лиганд, который имеет тенденцию скапливаться внутри углублений в мембране; при этом образуются так называемые окаймленные ямки (рис. 4-37). Их роль заключается в накоплении лиганда. Одна из теорий, объясняющих механизм этого процесса, предполагает образование везикул, которые затем отшнуро-вываются в цитоплазму. Эти везикулы называются окаймленными, поскольку их поверхность покрыта слоем белка клатрина. Клатрин образует пентагональную или гексагональную решетку и, по-видимому, выполняет несколько функций. В частности, он связывает занятые лигандом молекулы

Рис. 4.37. Образование окаймленных везикул при опосредованном рецепторами эндоцшпозе. А. Молекулы лиганда связываются молекулами поверхностного рецептора, расположенными в окаймленных ямках (этап 1); последние образуются при связывании молекул клатрина с поверхностной мембраной. Происходит инвагинация окаймленной ямки (этап 2) и образуется окаймленная везикула (этап 3), которая затем сливается с вакуолью (этап 4). Вакуоль и ее содержимое претерпевают дальнейшие превращения (этап 5), а клатрин и молекулы рецептора возвращаются в плазматическую мембрану для повторного использования (этап 6). (Pearce, 1980). Б. Электронные микрофотографии окаймленной ямки (вверху) и окаймленной везикулы (внизу). Видно, что на обеих стадиях эндоцитоза в ооците цыпленка цитоплазматическая поверхность мембраны покрыта плотным клатриновым слоем. Видна поверхностная мембрана, от которой отшнуровывается везикула. Увеличение 135000.

112

рецептора и участвует в последующем отшнуровывании везикулы от поверхности мембраны.

Когда окаймленная везикула отшнуровывается в цитоплазму, ее содержимое, по-видимому, поступает в другие органеллы, например в лизосомы, а клатрин и рецепторы возвращаются к поверхностной мембране.

Сходный с эндоцитозом процесс, называемый экзоцитозом, играет важную роль в функционировании эндокринной и нервной систем. Например, пресинаптические окончания нервных клеток содержат много внутренних ограниченных мембранами везикул диаметром около 50 нм, в которых находятся вещества, участвующие в передаче нервного импульса - нейромедиаторы. Эти везикулы могут сливаться с поверхностной мембраной нервного окончания и высвобождать свое содержимое во внеклеточное пространство. Вероятность этого процесса многократно увеличивается, когда к

окончанию подходит нервный импульс, а смысл его состоит в высвобождении синаптического медиатора, который взаимодействует с постсинаптической мембраной. Аналогичные механизмы ответственны за секрецию гормонов.

Согласно теории экзоцитоза, мембраны везикул включаются в поверхностную мембрану с высвобождением всего содержимого-гормонов, нейромедиаторов и случайно захваченных молекул-во внеклеточное пространство, где они затем диффундируют. Если бы эти включенные мембранные фрагменты оставались в составе плазматической мембраны, то ее площадь непрерывно увеличивалась бы. Полагают, однако, что в процессе эндоцитоза часть мембранного материала "изымается" и из него образуются новые секреторные везикулы. Данные о таком круговороте мембран были получены в ходе экспериментов, в которых во внеклеточную среду вводили электроноплотные белки, например пероксидазу хрена, и следили за эндоцитозом с помощью электронной микроскопии. Электроноплотные молекулы белка обнаруживались внутри клеток только в составе везикул. Пероксидаза хрена-это довольно крупная молекула и она не может попасть в клетку, пройдя непосредственно через плазматическую мембрану; этот фермент захватывается вместе с небольшим объемом внеклеточной среды в процессе формирования эндоцитозных микровезикул, т.е. при постепенном их отшнуровывании от плазмалеммы в цитоплазму.

В экзоцитозной секреции нейромедиаторов из нервной клетки и гормонов из эндокринных клеток принимают непосредственное участие ионы кальция. Их конкретная роль в инициации секреции неясна, но, по-видимому, при повышении внутриклеточной концентрации Са2+ каким-то образом увеличивается экзоцитозная активность-возможно, облегчается слияние везикул с внутренней поверхностью мембраны. Мембрана регулирует экзоци-тозную активность путем регуляции уровня внутриклеточного Са+ . При увеличении направленного внутрь потока Са2+ его концентрация в цитоплазме увеличивается и параллельно возрастает скорость экзоцитозной секреции (рис. 4-38). Таким образом, Са2+ относится к секретагогам.

Сама везикулярная мембрана может принимать активное участие в процессах, предшествующих эк-зоцитозу. Установлено, что секреторные гранулы хромаффинной ткани обогащены необычным фосфолипидом лизолецитином, который облегчает слияние мембран и, таким образом, может способствовать слиянию везикулярной и клеточной мембран. Прежде чем произойдет слияние этих двух мембран, секреторная гранула (или везикула) должна прийти в контакт с плазмалеммой. Высвобождение секретируемых продуктов из железистой секреторной клетки блокируется колхицином (антимито-тическим препаратом, который вызывает разборку микротрубочек) или цитохалазином (препаратом, разрушающим микрофиламенты). Эти данные позволяют предположить, что микротрубочки и микрофиламенты принимают участие в перемещении секреторных гранул к тому месту с внутренней стороны плазматической мембраны, где происходит экзоцитоз (рис. 4-38). Хотя специфичность упомянутых фармакологических препаратов вызывает

некоторые сомнения, такое предположение, по-видимому, справедливо, поскольку под электронным микроскопом часто наблюдаются секреторные гранулы, ассоциированные с микротрубочками.

Рис. 4.38. Возможная роль микротрубочек в выведении секрета на примере β-панкреатических клеток. Микротрубочки с последовательно прикрепленными к ним везикулами, часто обнаруживаемые в секреторных участках, могут переносить везикулы к мембране, создавая предпосылки к секреции. Перемещение везикул вдоль микротрубочек и слияние их с мембраной регулируется кальцием. (Lacy, 1972.)

113

112 :: 113 :: Содержание

114 :: 115 :: Содержание

4.10. Межклеточные контакты

До сих пор мы говорили только об изолированных клеточных мембранах. Однако большинство клеток входит в состав тканей, где их мембраны тем или иным образом объединяются, оставаясь разделенными узким пространством, заполненным в основном внеклеточной жидкостью. В некоторых тканях, включая эпителий, гладкие мышцы, сердечную мышцу, ткани центральной нервной системы и многие ткани эмбриона, соседствующие клетки связаны специализированными обращенными друг к другу участками поверхностной мембраны. Эти участки подразделяются на два основных типа, называемых

щелевыми контактами и плотными контактами (рис. 4-39 и 4-42). Плотный контакт между соседними клетками создает основу для: 1) сообщения между клетками через миниатюрные, заполненные водой каналы, которые связывают клетки в месте щелевого контакта; 2) трансэпителиального транспорта веществ клетками, которые более или менее плотно "сшиты", образуя единый слой в месте плотных контактов.

4.10.1 Щелевые контакты

Расстояние между двумя мембранами в области щелевого контакта составляет всего 2 нм; кроме того, мембраны соединены между собой гексагональными структурами из шести субъединиц, которые пронизывают узкую щель между мембранами. Эти структуры имеют диаметр примерно 5 нм (рис. 4-40, А) и напоминают миниатюрные пончики, полая сердцевина которых образует каналы, соединяющие внутриклеточное пространство соседних клеток. Непрерывность таких путей сообщения между клетками была продемонстрирована с помощью введения флуоресцентных красителей, например флуоресцеина (мол. масса 332) и проциона

содержат гексагональные образования из шести субъединиц, причем каждая субъединица связана с соответствующей субъединицей противоположной мембраны. В центре структуры проходит канал, обеспечивающий связь между контактирующими клетками. (Staehelin, 1974.) Б. Детальное строение канала. Молекулы размером более 2 нм (например, белки и нуклеиновые кислоты) слишком велики, чтобы пройти через этот канал. ( Bretscher, 1985.)

желтого (мол. масса 500), в одну из клеток с последующим прослеживанием их диффузии в соседние клетки (рис. 4-41). Непрерывность подтверждается также данными о прямом обмене ионами, о чем свидетельствует свободное распространение электрического тока между клетками, соединенными щелевыми контактами. Через межклеточные каналы в области этих контактов могут проходить молекулы с мол. массой до 500, и малые молекулы - ионы, аминокислоты, сахара и нуклеотиды - беспрепятственно переходят из одной клетки в другую (рис. 4-40, Б). Такой обмен малыми молекулами ответствен за опосредованные щелевыми контактами межклеточные коммуникации.

Щелевые контакты лабильны и нарушаются при любом воздействии, приводящем к повышению внутриклеточной концентрации Са 2+ или Н+. Разобщение клетки с ее соседями происходит при прямом введении Са2+ или Н+ в цитоплазму при снижении температуры или под действием ядов, подавляющих энергетический метаболизм. Результаты таких экспериментов указывают на разобщение, проявляющееся в утрате способности к проведению электрического сигнала между клетками. Щелевые контакты сохраняют свою интактность только при условии, что метаболическая активность поверхностной мембраны обеспечивает поддержание низкого уровня свободных Са 2+ и Н+ внутри клетки. Механизм закрывания каналов щелевых контактов до конца не установлен, но, по-видимому, состояние каналов зависит от относительного положения тех шести субъединиц, которые образуют канал (рис. 4-40, B).

Рис. 4.41. Введение флуоресцентной метки в одну из клеток эпителия слюнной железы насекомого. Диффузия метки в соседние клетки, не сопровождающаяся выходом ее в межклеточное пространство, указывает на прямое сообщение между цитоплазмой соседних клеток. В таких сопряженных клетках всегда обнаруживаются щелевые контакты.

115

114 :: 115 :: Содержание

Рис. 4.43. Эпителиальный транспорт, осуществляемый двумя путями-межклеточным и клеточным. Активный транспорт осуществляется только через клеточную мембрану, т.е. клеточным путем.

На рис. 4-42 показаны и два других типа клеточных контактов-zonula adherens и macula adherens (последний чаще называют десмосомой). Эти контакты обеспечивают прежде всего структурную связь между соседними клетками.

116

116 :: Содержание

116 :: 117 :: Содержание

4.11. Эпителиальный транспорт

Эпителиальные ткани образуют барьеры между различными компартментами организма животного, а также поверхности, граничащие с внешней средой. Такой слой поверхностных клеток имеется у каждого органа или компартмента. Некоторые из этих слоев являются лишь пассивным барьером между компартментами и не осуществляют транспорта растворенных веществ или воды. Однако эпителий может быть вовлечен и в активный транспорт, выполняющий регуляторные функции. Так, осморегуляторная активность многих специализированных тканей и органов животных осуществляется при участии эпителия, эффективно транспортирующего различные вещества (см. гл. 12).

Все эпителиальные ткани обладают рядом общих особенностей. Во-первых, они образуют поверхности, отделяющие внутреннее пространство организма от внешней среды. Такая локализация не всегда очевидна, потому что внешнее пространство может проникать далеко в глубь тела весьма сложным образом (в качестве примера можно привести просвет кишечника). Во-вторых, клетки, образующие наружный слой эпителия, обычно соединены с помощью плотных контактов, которые в разной степени в разных эпителиальных тканях ограничивают межклеточный перенос веществ между серозной

116

(внутренней) и мукозной (наружной) сторонами эпителия (рис. 4-43). В некоторых типах эпителия, например в эндотелии стенок капилляров, контакты имеют утечку, поэтому вода и растворенные в ней вещества могут диффундировать по межклеточным путям. Поскольку подобная диффузия не сопряжена с каким-либо энергозависимым транспортным механизмом, она может быть только пассивной. Вещества, транспортируемые через эпителий с помощью активных механизмов, перемещаются по клеточным путям при участии клеточной мембраны. Они должны пересечь клеточную мембрану дважды-входя в клетку с одной стороны и выходя с другой. Как мы увидим в следующем разделе, функциональные свойства поверхностной мембраны эпителиальной клетки на серозной и мукозной поверхностях не совсем одинаковы и эта асимметрия очень важна для эпителиального активного транспорта.

117

116 :: 117 :: Содержание

сопровождается ли направленный внутрь транспорт Na+ котранспор-том аниона? Если нет, то он должен приводить к появлению электрического потенциала на коже из-за переноса положительного заряда, а Сl- в таком случае должен перемещаться пассивно под действием этого потенциала, уменьшая его. Наиболее важный вопрос-как происходит транспорт через слой клеток?

В 1951 г. Уссинг и Зеран сообщили о взаимосвязи между электрическим потенциалом и активным транспортом натрия. Они рассуждали следующим образом. Если через эпителий активно транспортируется один Na+ , то должно наблюдаться количественное соответствие между числом переносимых ионов натрия на единицу площади кожи в секунду и силой результирующего тока (т.е. числом зарядов, пересекающих мембрану в секунду). В обычных условиях это соотношение едва ли выполняется, поскольку измеряемый ток может быть занижен из-за пассивного перемещения Сl- или других ионов, которые могут диффундировать через кожу по градиенту потенциала, образующегося из-за активного транспорта Na+. Это означает, что как только во внутреннем компартменте появляется несколько избыточных катионов, соответствующая сторона мембраны становится более положительной и Сl-, например, перемещается через мембрану под действием электростатических сил. Чтобы исключить возможное влияние на электрохимический потенциал, Уссинг и Зеран для предотвращения накопления зарядов удаляли положительные заряды через внешнюю электрическую цепь по мере того, как катионы пересекали кожу (рис. 4-44). Уменьшение до нуля разности потенциалов приводит к двум важным последствиям. Во-первых, перемещение Na+ не подавляется создаваемым им потенциалом, который противодействовал бы суммарному потоку Na+ при активном транспорте. Во-вторых, силу тока во внешней цепи (равную силе тока, текущего через кожу) можно сопоставить с общим числом ионов натрия, транспортируемых через кожу. При наличии количественного соответствия между силой тока и суммарным потоком натрия, измеряемым изотопными методами, подход, основанный на регистрации тока, можно использовать для определения транспорта Na+ .

Уссинг и Зеран действительно обнаружили хорошее соответствие между этими величинами (рис. 4-45). И сила тока, и транспорт Na+ уменьшались или становились равными нулю при добавлении уабаина (блокирующего натриевый насос) и

118

метаболических ядов или при выведении из наружного компартмента натрия. Эти данные свидетельствуют о том, что активный транспорт натрия, повидимому, является преобладающим по отношению к активному транспорту любого другого иона.

При отключении внешнего компенсирующего тока на коже лягушки в результате активного транспорта Na + на серозную сторону быстро создается разность потенциалов. Это в свою очередь приводит к пассивному

перемещению во внутренний компартмент Сl- по электрохимическому градиенту. Таким образом, сам по себе активный транспорт Na+ создает условия для суммарного переноса NaCl внутрь в том случае, когда препарат кожи погружен в раствор Рингера для лягушки. Однако в условиях, более близких к естественным (т. е. когда наружная поверхность кожи обращена в раствор, близкий по своему составу к прудовой воде), утечка Сl через кожу отсутствует. При концентрации Na+ во внешней среде менее 3-10 мМ хлорид-ион активно переносится транспортной системой, не зависящей от транспорта натрия. Поглощение Сl происходит в обмен на НСО -3 и, таким образом, не приводит к генерации электрического потенциала. Следовательно, лягушка, обитающая в пруду, активно поглощает и Na+, и Сl-, чтобы пополнить запасы солей, выводимых во внешнюю среду.

Вернемся теперь к вопросу о том, как осуществляется активный транспорт ионов через эпителий. Вспомним (рис. 4-43), что соседние клетки эпителия тесно примыкают друг к другу и соединяются с помощью плотных контактов. Допустим для простоты, что это исключает все экстраклеточные пути диффузии ионов между двумя сторонами эпителия (на самом деле существует незначительный поток между клетками). Если это так, то все вещества, проникающие через эпителий, должны пересекать мембрану эпителиальной клетки дважды-сначала входя в клетку с одной стороны, а затем покидая ее с противоположной стороны. Для реализации активного транспорта в этом случае необходимо, чтобы та часть клеточной мембраны, которая обращена к серозной стороне эпителия, отличалась в функциональном отношении от части, обращенной к мукозной стороне. Эксперименты, проведенные на препаратах кожи лягушки, подтвердили справедливость этой гипотезы.

Рис. 4.45. Соответствие между током, текущим через кожу лягушки, и суммарным потоком натрия на единицу площади косней. Тот факт, что сила тока (Кл/с) очень близка к потоку (г-экв/с) (при пересчете следует использовать константу Фарадея, равную 96000 Кл/г-экв), говорит о том, что практически весь ток через кожу лягушки обусловлен переносом натрия. (Ussing, 1954.)

1.Уабаин, который блокирует работу Na+-K+-насоса, подавляет трансэпителиальный транспорт натрия только в том случае, когда он находится с внутренней (серозной) стороны эпителия, но не с внешней (мукозной). Напротив, такое соединение, как амилорид, мощный ингибитор пассивного опосредованного переносчиком транспорта, блокирует перемещение натрия через кожу лягушки, только находясь с внешней

стороны.

2.Чтобы происходил активный транспорт натрия, калий должен находиться в наружном растворе; присутствие его во внутреннем компартменте несущественно.

3.Для транспорта натрия характерна кинетика с насыщением; при этом скорость транспорта зависит от концентрации Na+ снаружи, но не внутри.

Эти данные послужили основой для построения модели эпителиального транспорта натрия, представленной на рис. 4-46. Согласно этой модели, Na +-K+- Hacoc, осуществляющий обмен, а также Na+-H+- и Na+-NH+4 -насосы в интактном эпителии расположены в мембране с серозной стороны эпителиальной клетки. Эта мембрана ведет себя аналогично многим другим клеточным мембанам, выкачивая Na+ в обмен на К+ и таким образом поддерживая высокую внутриклеточную концентрацию калия и низкую - натрия. Благодаря направленной наружу диффузии ионов калия через мембрану с серозной стороны клетки на мембране создается потенциал покоя, отрицательный внутри.

Совершенно иная ситуация имеет место на мукозной стороне. Клеточная мембрана здесь слабо проницаема для калия. Более того, суммарная направленная внутрь диффузия ионов натрия через мембрану (по-видимому, облегчаемая переносчиками или происходящая через каналы в мембране) возмещает утрату Na + , выводимого с серозной стороны. Эта модель объясняет, почему агенты, блокирующие натриевый насос, эффективны только тогда, когда находятся с серозной стороны эпителия, и почему только изменения концентрации К + с этой стороны влияют на скорость транспорта натрия.

119

Рис. 4.46.

Модель трансэпителиального транспорта натрия в изолированном препарате кожи лягушки, погруженном в раствор Рингера. Na+ пассивно диффундирует в клетку по концентрационному градиенту с мукозной стороны, а К + -из клетки с серозной

стороны по мере поступления Na+. Nа+-К+-обменный насос, встроенный в клеточную мембрану с серозной стороны, поддерживает высокую внутриклеточную

концентрацию K+ и низкую - Nа+. ( Koefoed-J ohnsen, Ussing, 1958.)

Таким образом, суммарный перенос Na+ через кожу лягушки с мукозной

стороны на серозную обусловлен функциональной асимметрией мембраны. Никакой другой движущей силы, кроме активного транспорта Na+, свойственного клеточным мембранам всех тканей, здесь нет.

Кожа лягушки служит модельной системой для изучения общих особенностей эпителиального транспорта солей. Детали этого процесса могут зависеть от типов эпителиальной ткани, но основные его особенности, которые мы отметим ниже, вероятно, свойственны всем эпителиальным тканям, через которые осуществляется транспорт веществ.

1.Плотные контакты блокируют перенос веществ между клетками, поэтому он осуществляется в основном через эпителиальные клетки.

2.Мукозная и серозная стороны клеточных мембран функционально различаются; это касается характера активности ионных насосов и мембранной проницаемости.

3.Активный транспорт катионов через эпителий обычно сопровождается транспортом (пассивным или активным) анионов в том же направлении или обменом на другую разновидность катиона, что приводит к минимизации электрического потенциала. Для активного транспорта анионов наблюдается обратная картина.

4.Эпителиальный транспорт не ограничивается поглощением ионов натрия и хлора. Известно, что различные эпителиальные ткани транспортируют Н+, HCO-3, К+ и другие ионы.

120

117 :: 118 :: 119 :: 120 :: Содержание

120 :: 121 :: 122 :: 123 :: Содержание

4.11.2. Транспорт воды

Многие эпителиальные ткани поглощают или секретируют жидкости; например, в желудке секретирует-ся желудочный сок, в хороидных (сосудистых) сплетениях-цереброспинальная жидкость, желчный пузырь и кишечник всасывают воду, а почечные канальцы птиц и млекопитающих поглощают воду из клубочкового фильтрата. В некоторых других тканях вода движется через эпителий в отсутствие или против осмотического градиента между растворами по разные стороны эпителия. Для объяснения механизма переноса воды против градиента предложено множество гипотез, но все их можно разбить на две основные категории.

1.Вода транспортируется при помощи какого-то специфического механизма, потребляющего энергию, высвобождаемую в ходе метаболических процессов.

2.Транспорт воды вторичен, т.е. он сопровождает транспорт растворенных веществ.

Впоследнем случае можно упомянуть обычный осмос, когда происходит суммарная диффузия воды в одном направлении, обусловленная концентрационными градиентами, возникающими в результате транспорта растворенных веществ. Пока никаких убедительных данных об активном транспорте воды с помощью специальных "водных" насосов не существует.

Осмотическая гипотеза транспорта воды получила подтверждение, когда Питер Каррен в 1965 г. заметил, что осмотический градиент, образующийся в результате активного транспорта солей из одного субкомпартмента эпителия в другой, может в принципе обусловливать суммарный поток воды через эпителий (рис. 4-47). Биологические системы, согласующиеся с моделью Каррена, были вскоре обнаружены в эпителии желчного пузыря млекопитающих Джередом М. Дайамондом и Джоном Мак-Тормеем (1966). Все это позволило Дайамонду и У. X. Боссерту (1967) сформулировать гипотезу постоянных градиентов, объясняющую перенос воды, сопряженный с транспортом веществ. Упрощенная схема этого процесса приведена на рис. 4-48. Основную роль здесь играют две анатомические особенности эпителия: 1) наличие плотных контактов на люминальной (мукозной) поверхности, исключающих экстраклеточный перенос через эпителий; 2) наличие латерального межклеточного пространства, или щелей, между соседними клетками. На люминальном конце эти щели замыкаются плотными контактами, а на базальном открыты.

Сущность гипотезы постоянных градиентов состоит в том, что активный транспорт солей осуществляется как раз через те участки мембраны эпителиальной клетки, которые обращены к межклеточной щели. Показано, что через эти участки

120

Рис. 4.47.

Модель Каррена транспорта воды, сопряженного с транспортом растворенного

вещества. Вещество (в данном случае Na + ) перекачивается через перегородку А из отсека I в отсек II. Полупроницаемая перегородка Б замедляет диффузию растворенного вещества в отсек III и, следовательно, поддерживает в отсеке II высокую осмолярность. Это приводит к перемещению воды из отсека I в отсек II. В стационарном состоянии и вода, и растворенные вещества диффундируют в отсек III с той же скоростью, с которой они появляются в отсеке II. Отсек III гораздо больше, чем отсек II. (Сшгап, 1965.)

наиболее активно выкачивается Na + . Поскольку соль выводится из клетки в эти длинные узкие щели, то, по-видимому, это приводит к возникновению осмотического градиента между внеклеточными средами по разные стороны плотных контактов, объединяющих эпителиальные клетки. Осмотический градиент может существовать и внутри щели, поскольку концентрация соли максимальна вблизи ее замкнутого конца и уменьшается по направлению к открытому, приближаясь к концентрации во всем объеме (рис. 4-49). Из-за высокой осмолярности раствора в щели вода под действием осмотического давления "закачивается" в щель через "не слишком плотные" контакты или, возможно, из клетки через клеточную мембрану. Вода, выходящая из клетки, должна замещаться водой, поступающей в клетку осмотическим путем через мукозную поверхность. Вода, попавшая в щель, постепенно перемещается вместе с растворенными веществами по направлению к открытому концу. Таким образом, постоянная активная откачка солей через клеточную мембрану приводит к повышению ее концентрации в узких межклеточных щелях, а это в свою очередь порождает постоянный трансэпителиальный осмотический поток воды.

Гипотеза постоянных градиентов, объясняющая сопряженный с переносом веществ транспорт воды, получила подтверждение в опытах по изучению ультраструктуры эпителия. Эти опыты показали, что упомянутые особенности, а именно узкие щели между клетками, заканчивающиеся с люминального конца плотными контактами, характерны для всех изученных эпителиальных тканей, через которые осуществляется перенос воды. Очень важными в этом отношении структурами представляются также глубокие базолатеральные щели и складки (рис. 4-48). При фиксации эпителия в условиях, обеспечивающих транспорт воды, эти щели расширяются; если фиксация осуществляется в отсутствие транспорта, то межклеточные щели, как правило, исчезают.

Рис. 4.48. Биологический аналог модели Каррена для транспорта воды, сопряженного с транспортом растворенного вещества. Отсеки I, II и III соответствуют отсекам на рис. 4.47. Активный транспорт растворенного вещества в межклеточные щели приводит к повышению осмолярности раствора в них, а это в свою очередь - к переносу воды в щели через клетку. В результате раствор проходит через свободно проницаемую базальную мембрану и попадает в отсек III (например, просвет кишечника). Барьеры А и Б аналогичны таковым на рис. 4-47. (Diamond, Tormey, 1966.)

Pиc. 4.49. Проточная система постоянных градиентов. Пассивный поток воды сопряжен с активным транспортом солей в глубокие узкие полости между соседними клетками или в глубокие базолатералъные щели. Плотность точек на рисунке отражает относительную осмолярность. (Diamond, 1971.)

121

Дополнение 4-1. Данные, свидетельствующие о наличии липидного бислоя в мембранах

1.Содержание липидов в мембранах согласуется с концепцией бислоя, состоящего из ориентированных липидных молекул, что впервые показано Гортером и Гренделом.

2.Проникающая способность неэлектролитов, проходящих через мембрану, соответствует их коэффициенту распределения в системе масло/вода (см. рис. 4-24). Таким образом, чем больше сродство молекулы к липидной фазе по сравнению с водной, тем легче она проходит через мембрану. Отсюда следует, что пересекающие мембрану вещества проходят через липидный "барьер". Более того, некоторые нерастворимые в липидах вещества могут пройти через мембрану только после того, как перейдут в жирорастворимую форму путем присоединения жирорастворимой молекулы.

3.Электрическая емкость биологических мембран, обычно составляющая 10-6 Ф/см2, равна емкости липидного слоя толщиной в две фосфолипидные молекулы, расположенных "конец в конец" (т.е. 6,0-7,5 нм).

4.При фиксации перманганатом мембранный препарат выглядит как

трехслойная структура общей толщиной около 7,5 нм; слабо контрастирован-ная центральная область расположена между двумя электроноплотными внешними слоями (см. рис. 4-1). В 1955 г. Дэвид Робертсон (1960) назвал эту трехслойную структуру элементарной мембраной. Согласно концепции элементарной мембраны, бимолекулярный слой липидов располагается между двумя слоями белка.

5.Толщина липидного слоя, определяемая как удвоенная длина одной молекулы мембранного липида, примерно равна толщине внутренней области (~ 7,5 нм) элементарной мембраны, видимой на электронных микрофотографиях.

6.Электронно-микроскопические исследования с применением метода замораживания - травления показывают, что плоскость скола проходит обычно посередине мембраны, что согласуется с представлением о разделении бислоя на два монослоя.

7.Проницаемость и электрические свойства реконструированных или искусственных липидных бислоев (дополнение 4-2), толщина и структура которых, по-видимому, близки к таковым у бимолекулярной липидной сердцевины модели Даниелли, в основном аналогичны соответствующим свойствам клеточных мембран. Существующие различия можно объяснить тем, что в природных мембранах имеются специальные ионные каналы и переносчики.

Дополнение 4-2. Искусственные бислои

Многие современные представления о механизмах проникновения веществ через мембраны основаны на результатах экспериментов, выполненных на искусственных бислоях, которые по своей структуре аналогичны бислою, лежащему в основе клеточной мембраны. Искусственные бислои-это очень ценный объект для изучения механизмов проницаемости, поскольку их можно сформировать из смеси липидов определенного состава. В смесь можно добавить интересующие исследователя вещества и изучить их влияние на проницаемость. В искусственные бислои встраивали различные каналобразующие вещества - антибиотики-ионофоры (они облегчают диффузию ионов через мембрану) и компоненты мембранных каналов возбудимых тканей. Все это позволило изучить их свойства по отдельности в тщательно контролируемых условиях.

Приведенный рисунок иллюстрирует принцип формирования бислоя. Наиболее стабильная структура состоит из двух слоев липидных молекул, чьи гидрофобные липофильные углеводородные хвосты образуют липидную фазу, ограниченную с двух сторон гидрофильными полярными головками, обращенными в водную среду. Толщину липидной пленки легко определить по результатам интерференции, при отражении света от поверхностей пленки. Чаще всего используют мембраны толщиной 7 нм (наблюдается темная интерференционная полоса). Электрическая проводимость (ионная проницаемость) и емкость мембран определяются их толщиной и липидным составом. Проницаемость таких мембран для ионов гораздо ниже, чем у

клеточных мембран, однако она увеличивается при добавлении ионофоров и может стать сравнимой с проницаемостью природных мембран.

122

Липидный бислой, образующийся в отверстии диаметром 1 мм между двумя отсеками. А. Образование пленки из липидов, находящихся в растворителе, например гексане, которая затягивает отверстие. После образования наиболее стабильной бислойной структуры цвет мембраны в результате интерференции меняется от серого к черному. Б. Отсеки ячейки заполняют исследуемым раствором и определяют проницаемость мембраны для электролитов электрическими методами. (Kotyk, Janacek 1970.)

123

120 :: 121 :: 122 :: 123 :: Содержание

мелкие полярные молекулы - через временные водные каналы, образующиеся в результате теплового движения. Получены веские данные о существовании "стационарных" каналов, более или менее специфичных для определенных ионов и молекул. Диффузия через мембрану некоторых веществ опосредуется переносчиками, которые образуют комплекс с субстратом и ускоряют его транспорт через мембрану; при этом сами переносчики совершают челночные перемещения в пределах липидной фазы мембраны.

Активный транспорт веществ осуществляется с помощью переносчиков и требует метаболической энергии, обычно поступающей в форме АТР. Он обеспечивает перенос веществ через мембрану против концентрационного градиента. Наиболее известной системой активного транспорта является Na+-K+- Hacoc, который поддерживает внутриклеточную концентрацию Na + на более низком уровне, чем во внешней среде. Энергия, запасенная в форме разности концентраций Na+ между клеткой и средой, используется для переноса против градиента многих других веществ, например ионов кальция, аминокислот и Сахаров, путем обмена и сопряженного транспорта. Градиенты Na+ и К+ играют существенную роль и в генерации электрических сигналов, например нервных импульсов.

Еще одной важной функцией активного транспорта является компенсация пассивного проникновения в клетку некоторых веществ (например, ионов натрия), что может вызвать неконтролируемое увеличение осмотического давления и последующее набухание клетки. Постоянное удаление натрия Na +- К+-насосом-это основной процесс, позволяющий регулировать объем клетки.

В основе трансэпителиального транспорта лежит различие мукозной и серозной поверхностей мембраны эпителиальных клеток по проницаемости и активности ионных насосов. Через серозную часть мембраны ионы активно транспортируются против электрохимического градиента, а через мукозную проходят путем простой или облегченной диффузии. Обратная диффузия ионов через эпителий затруднена, поскольку щель между клетками перекрывается областью плотных контактов. Вода проходит через некоторые эпителиальные ткани под действием осмотического давления, создаваемого благодаря активному транспорту солей из эпителиальной клетки в межклеточную щель. Никаких данных о наличии истинного активного транспорта воды нет.

124

123 :: 124 :: Содержание

124 :: 125 :: Содержание

4.13. Вопросы для повторения

1.Перечислите основные физиологические функции

2.мембран.

3.Приведите данные, свидетельствующие о том, что мембраны являются физическим барьером.

4.Какие данные свидетельствуют о справедливости модели липидного бислоя мембран?

5.Какие данные свидетельствуют о мозаичном расположении глобулярных белков в липидном бислое?

6.Объясните смысл терминов "изотоничность" и "изоосмотичность". Почему два раствора могут быть изоосмотичными, но не изотоничными.

7.Какие факторы определяют проницаемость мембран для данного электролита? Неэлектролита?

8.Опишите возможные механизмы, с помощью которых вода и другие мелкие (менее 1 нм в диаметре) полярные молекулы проникают через мембраны.

9.Почему неполярные вещества легче диффундируют через мембраны, чем полярные?

10.Активный транспорт и облегченная диффузия характеризуются кинетикой с насыщением. Какие выводы можно отсюда сделать о механизмах, лежащих в основе этих видов транспорта?

11.Чем отличается облегченная диффузия от обычной?

12.Какие факторы влияют на скорость облегченной диффузии ионов через мембрану?

13.Чем активный транспорт отличается от облегченной диффузии?

14.Почему концентрационный градиент натрия можно считать универсальной клеточной "энергетической валютой"?

15.По каким параметрам мембрана различает ионы одинакового заряда?

16.Опишите осмотические последствия отравления клетки метаболическими ядами.

17.С помощью каких механизмов в клетке поддерживается более высокая концентрация К+ , чем снаружи?

18.Каковы функциональные и морфологические различия между щелевыми и плотными контактами?

19.Предположим, что проницаемость данной клетки для К+ и Сl- в 40 раз выше, чем для любых других ионов. Если отношение внутриклеточной концентрации К+ к внеклеточной равно 25, то чему примерно будет равно это отношение для Сl-?

20.Пусть транспорт веществ через клеточную мембрану может осуществляться только в одном направлении-либо внутрь клетки, либо наружу. Объясните, как может происходить транспорт веществ через клетки.

21.Опишите эксперименты, в ходе которых впервые был продемонстрирован активный транспорт Na+ через эпителий.

22.Какие данные свидетельствуют об активном транспорте Na+ и К+ только

через серозные участки мембраны эпителиальных клеток?

124

22.Убедительные данные о прямом активном транспорте воды отсутствуют. Опишите способ, с помощью которого может происходить трансэпителиальный перенос воды против концентрационного градиента, т. е. из концентрированного солевого раствора в более разбавленный.

125

124 :: 125 :: Содержание

125 :: Содержание

ЛИТЕРАТУРА

Bretscher M. S. 1985. The molecules of the cell membrane,

Scientific American, 253, 100-108. BontingS.L, de Pont J.J.H.H.M., eds. 1981. Membrane

transport, New Comprechensive Biochemistry, Vol. 2,

Amsterdam, Elsevier. Cereijido M., Rotunno C.A. 1970. Introduction to the Study of

Biological Membranes, New York, Gordon and Breach. Finkelstein A. 1976. Water and nonelectrolyte permeability of

lipid bilayer membranes, J. Gen. Physiol., 68, 127-135. Green D.E., Danielli J.F., eds. 1972. Membrane Structure and

Its Biological Applications, New York, New York Academy of Sciences. Jain M.K. 1972. The Bimolecular Lipid Membrane: A System,

New York. Van Nostrand Reinhold.

Проницаемость и транспорт 125

Kyte J. 1981. Molecular considerations relevant to the mechanism of active transport Nature, 292, 201-204.

lemne Y.K. 1972. Physical studies of membrane structure, Progr. Biophys. Molec. BioL, 24, 1-74.

Ughtfoot E. N. 1974. Transport Phenomena and Living Systems, New York, Wiley.

bckwood A. P. M. 1971. The Membranes of Animal Cells, London, Arnold. Schultz S.G. 1980. Basic Principles of Membrane Transport, Cambridge, Cambridge University Press.

Scott W.N., Goodman D.B.P., eds. 1981. Hormonal Regulation of Epithelial Transport of Ions and Water, New York, New York Academy of Sciences. Singer S.J., Nicolson G.L 1972. The fluid mosaic model of the structure of cell membranes, Science, 175, 720-731.

Sleigh M. A., Jennings D.H. 1974. Transport at the Cellular Level, New York, Cambridge University Press.

Solomon A.K. 1962. Pumps in the living cell, Scientific American, 2:07, 100118. Also available as Offprint 131.

Vanderkooi G., Green D.E. 1971. New insights into biological membrane structure, BioScience, 21, 409-415.

Weissman G., Clairborne R., eds. 1975. Cell Membranes, New York, Hospital Practice Publishing Co.

125

125 :: Содержание

126 :: 127 :: Содержание

Глава 5

Ионы и возбуждение

Важной особенностью живых тканей является их электрическая возбудимость. В конце XVII в. итальянский ученый Луиджи Гальвани, занимавший должность профессора анатомии в Болонском университете, проделал опыты, от которых берут начало как электрохимическая теория, так и представление о том, что живые ткани вырабатывают электрический ток. Проводя опыты на нервно-мышечных препаратах лягушки, Гальвани обнаружил, что если к препарату приложить две соединенные между собой пластинки из разнородных металлов (при этом одна пластинка касается мышцы, а другаянерва), то мышца сокращается. Гальвани со своим племянником, ученымфизиком Джованни Альдини, объяснил это явление протеканием "животного электричества", которое, по их мнению, зарождалось в нервах и запасалось в мышцах. Они предположили, что от мышцы к нерву через металлический проводник перетекали некие "электрические флюиды" и что именно этот разряд, идущий из мышцы, вызывал ее сокращение. Эти положения были высказаны в 1791 г., и с высоты наших сегодняшних знаний они, конечно, во многом представляются неверными. Однако работа Гальвани и Альдини, появившаяся в этот революционный век, побудила многих исследователей - профессионалов и дилетантов - посвятить свои труды двум важным областям человеческого знания: физиологии возбуждения нервов и мышц и химической природе электричества. Итальянский физик Алессандро Вольта, работавший в Павианском университете, вскоре повторил опыты Гальвани и в 1792 г. высказал предположение, что в этих опытах, электрический ток, вызывавший сокращение мышцы, возникал не в живых тканях (как считали Гальвани и Альдини), а в месте контакта разнородных металлов с тканевыми жидкостями, насыщенными солями. Поскольку в это время еще не существовало достаточно чувствительных физических приборов, способных обнаруживать слабые токи, Вольта понадобилось несколько лет для того, чтобы неопровержимо доказать электролитическую природу токов, возникающих при контакте разнородных металлов. Именно нервно-мышечный препарат лягушки оказался для ученых того времени наиболее тонким индикатором электрического тока.

Пытаясь создать более мощные источники электричества. Вольта обнаружил, что для этого можно использовать последовательно соединенные электролитические элементы (т. е. металлические пластинки, погруженные в солевой раствор). Это привело его к созданию так называемой вольтовой батареи-набора чередующихся серебряных и цинковых пластин, разделенных бумагой , смоченной солевым раствором. Так появилась первая электролитическая батарея, которая создавала напряжение, равное сумме напряжений отдельных входящих в ее состав серебряно-цинковых элементов.

Первые опыты Гальвани на самом деле не доказывали наличия "животного электричества", однако они продемонстрировали высокую чувствительность возбудимых тканей к очень слабым электрическим токам 1. В 1840г. Карло Маттеуччи поставил опыт, в котором один нервно-мышечный препарат возбуждался током, возникающим при сокращении мышцы другого препарата (рис. 5-1). Так впервые было действительно показано, что в

126

Рис. 5.1. Опыт, поставленный

Маттеуччи. Ток, возникающий во время сокращения мышцы 1, вызывает возбуждение нерва, идущего к мышце 2, и сокращение последней. Сокращение мышцы 1 было вызвано раздражением ее двигательного нерва с помощью тока, возникающего в результате электролиза в паре разнородных металлов.

возбудимых тканях возникают электрические токи1. В XIX в. стало очевидно, что сигналы, возникающие в нервных клетках и других возбудимых тканях, обусловлены электрическими свойствами клеточных мембран. В этой главе мы рассмотрим физические и молекулярные механизмы, лежащие в основе электрических явлений в возбудимых мембранах.

127

1Основные определения и положения теории электричества, которые могут оказаться полезными при чтении этой главы, приведены в дополнении 2-1.

1На самом деле Гальвани впоследствии поставил опыт, названный "сокращение без металла", в котором сокращение мышцы возникало при набрасывания на нее перерезанного конца иннервирующего ее нерва; тем самым Гальвани доказал существование "животного электричества".- Прим. пер ев.

126 :: 127 :: Содержание

127 :: 128 :: 129 :: 130 :: 131 :: Содержание

5.1. Мембранная теория возбуждения

Сначала мы должны коротко рассмотреть некоторые общие свойства возбудимых мембран (присущие, в частности, мембранам нервных и мышечных клеток). Для изучения электрических процессов в живой ткани можно ввести в

эту ткань два электрода и измерять потенциал, создаваемый в результате протекания тока через внеклеточную жидкость. Поскольку, разность зарядов, порождающая эти токи, возникает прежде всего по разные стороны клеточной мембраны, более прямую и точную количественную оценку биоэлектрических явлений можно получить, измеряя трансмембранные токи в отдельных клетках. Для этого необходимо сравнить электрический потенциал (в вольтах) жидкости, находящейся по одну сторону мембраны, с потенциалом жидкости по другую ее сторону. Разность этих потенциалов называется мембранным потенциалом и

обозначается Vм. Для измерения мембранного потенциала один регистрирующий электрод помещают во внеклеточную жидкость, а другой - во внутриклеточную среду. Разность потенциалов между этими электродами усиливают с помощью электронного усилителя и выводят на регистрирующее устройство типа осциллографа (некий аналог вольтметра) (рис. 5-2). Для исследований подобного рода используют стеклянные микроэлектроды (рис. 5- 3, А), созданные Джилбертом Лингом и Ралфом Дже-рардом в 1949 г. Диаметр кончика таких микроэлектродов очень мал, и их можно вводить в крупные и средние клетки, практически не повреждая последние.

Стеклянный микроэлектрод представляет собой трубочку, заполненную раствором электролита (например, ЗМ КС1). С помощью серебряной проволочки его подсоединяют ко входу усилителя. Когда кончик микроэлектрода проходит через клеточную оболочку, устанавливается электрический контакт между содержимым клетки и усилителем напряжения. Мембранным потенциалом называют разность между внутриклеточным потенциалом (регистрируемым микроэлектродом) и внеклеточным (регистрируемым серебряной проволочкой, помещенной в окружающую клетку среду). Внеклеточный

127

Рис. 5.2. Электрический сигнал

можно вывести на экран осциллографа, при этом отклонение по вертикали будет соответствовать изменению его амплитуды, а по горизонтальной оси будет даваться отсчет времени. Так называемый генератор развертки постоянно "заставляет" электронный луч пробегать по фосфоресцирующему экрану слева направо, в результате чего на экране остается светящийся след. Регистрируемый сигнал подается на вход осциллографа, усиливается и поступает в виде колебания напряжения на вертикально отклоняющие пластины. Так создается отображение изменений входного сигнала во времени.

потенииал условно считают равным нулю. Фактически же электронный усилитель вычитает внеклеточный потенциал из внутриклеточного и регистрирует их разность.

Простейшая установка для измерения мембранного потенциала схематически представлена на рис. 5-3 и 5-4. Исследуемую клетку помещают в физиологический раствор, в который погружен электрод сравнения. До тех пор пока кончик регистрирующего микроэлектрода находится вне клетки, потенциал на обоих электродах остается одинаковым, т. е. разность потенциалов между ними равна 0 (рис. 5-3, А). Перемещая микроэлектрод по направлению к клетке, мы в какой-то момент времени увидим, что луч на экране осциллографа резко отклоняется вниз, т.е. в сторону отрицательного потенциала; этот скачок означает, что кончик микроэлектрода проник в клетку (рис. 5-3, Б). В электрофизиологии принято представлять отрицательный потенциал как отклонение кривых, регистрируемых осциллографом, вниз. Постоянный отрицательный потенциал, возникающий в области кончика микроэлектрода после его проникновения в клетку, называется потенциалом покоя (ПП). Он измеряется в милливольтах (мВ), или тысячных долях вольта. Практически у всех исследованных электрофизиологами клеток потенциал покоя оказался отрицательным. Величина этого потенциала в разных клетках неодинакова и достигает - 100 мВ.

Если погружать кончик внутриклеточного микроэлектрода дальше во внутриклеточную среду, то величина регистрируемого потенциала не изменится. Значит, вся разность потенциалов между наружной и внутренней средой "сосредоточена" в области клеточной мембраны и непосредственно

прилегающих к ней с обеих сторон областей.

Для изучения электрических свойств клеточной мембраны проводят следующий эксперимент. Пропускают через мембрану импульс тока, изменяя тем самым мембранный потенциал. Для этого в клетку вводят второй, стимулирующий микроэлектрод (рис. 5-4), с помощью которого через мембрану создают либо входящий (из окружающей среды в клетку), либо выходящий (из клетки в окружающую среду) ток1. Направление тока через мембрану

128

зависит от того, какой ток создается микроэлектродом. Если электрод заряжен положительно, то ток будет направлен от него в клетку и далее через мембрану. Напротив, если электрод заряжен отрицательно, то ток будет направлен к нему из клетки.

Если импульс тока таков, что положительные заряды удаляются из клетки через электрод (т.е. если стимулирующий электрод заряжен отрицательно), то клетка, будучи электроотрицательной даже в покое, становиться заряженной еще более отрицательно. В таких случаях говорят, что происходит гиперполяризация. При гиперполяризации внутриклеточный потенциал может возрасти, например, от потенциала покоя, равного - 60 мВ, до величины - 70 мВ. Обычно клеточные мембраны отвечают на гиперполяризацию пассивно, т. е. их потенциал изменяется в соответствии с законом Ома и какие-либо "собственные" электрические процессы не возникают (рис. 5-5).

Если же ток направлен в клетку, т.е. в нее вводятся положительные заряды, то трансмембранная разность потенциалов уменьшается; в этом случае происходит деполяризация, т.е. внутриклеточный потенциал становится менее отрицательным (например, изменяется от - 60 до - 50 мВ). Если величина поступающего через электрод тока увеличивается, то степень деполяризация возрастает.

Для мембран возбудимых клеток (т. е. мембран большинства нервных, мышечных и рецепторных клеток) характерно наличие так называемого порогового потенциала. Если мембранный потенциал становится ниже порогового, то возникает мощный активный ответ -потенциал действия (ПД) (рис. 5-5). Этот ответ обусловлен активацией мембранных каналов, проницаемых для ионов натрия. Особенность этих каналов заключается в том, что их можно активировать (т. е. открыть), снизив трансмембранную разность потенциалов. Открывание натриевых каналов в ответ на деполяризацию и возникающий при этом ток ионов натрия, направленный в клетку,-это пример возбуждения мембраны. Подробнее механизмы, лежащие в основе ПД и других проявлений возбуждения, мы рассмотрим дальше.

Таким образом, клеточные мембраны могут реагировать на электрические раздражители двумя совершенно разными способами: пассивным и активным.

чем других элементов цепи. Входное сопротивление усилителя регистрирующей схемы также должно быть очень высоким, в противном случае через регистрирующий электрод будет происходить значительная утечка тока из клетки.

какого-либо постороннего источника. Подобное изменение потенциала не зависит от молекулярных процессов в самой мембране (например, от срабатывания ионных каналов). Этим пассивный ответ отличается от активного. Пассивный ответ возникает главным образом при протекании ионных токов через невозбудимые (не реагирующие на электрические изменения) каналы, избирательно проницаемые для ионов К+. Эти каналы, или калиевые каналы утечки (см. табл. 5-1), открыты даже в состоянии покоя.

2.Активные электрические ответы, характерные для возбудимых тканей (нервов, мышц, рецепторов), обусловлены открыванием и закрыванием множества мельчайших ионных каналов в ответ на раздражение. Поведение совокупности каналов, проницаемых для того или иного иона, определяет перемещение этого иона в том или ином направлении в зависимости от соответствующего электрохимического градиента.

Срабатывание одних каналов зависит от изменения мембранного потенциала, других-от связывания с особыми рецепторными участками мембраны молекул медиаторов или мессенджеров, третьих (в клетках- рецепторах)-от воздействия специфических раздражителей (например, световых у фоторецепторов, механических у механорецепторов и т. д.). Большинство возбудимых каналов в той или иной степени обладает избирательной проводимостью (селективностью): они пропускают какой-либо ион (или группу ионов) лучше, чем остальные ионы. Поэтому возбудимые каналы часто называют в соответствии с тем, для каких ионов они в норме проницаемы: так, натриевые каналы (табл. 5-1) могут пропускать не только натрий, но также и литий, однако в норме при возникновении нервных импульсов через эти каналы проходит именно натрий. При открывании одного такого канала через мембрану протекает лишь слабый ток, обусловленный прохождением соответствующих ионов. Однако при одновременном срабатывании множества подобных каналов через мембрану идет достаточно большой ток, вызывающий заметное изменение мембранного потенциала. Далее мы убедимся в том, что именно с работой ионных каналов связаны почти все электрические процессы в живых тканях.

130

Рис. 5.5. Пассивные и активные электрические ответы мембраны тела нейрона. Раздражающий ток (черные стрелки на рис. А) вызывает пассивный сдвиг мембранного потенциала (черные кривые на рис. Б). Если деполяризация достигает определенного уровня, то в клетку входит "дополнительный" ток (красные стрелки на рис. А) и это вызывает резкий активный скачок мембранного потенциала-развивается потенциал действия (участок кривой, выделенный красным цветом на рис. Б). Видно, что величина пассивных ответов примерно пропорциональна амплитуде стимулирующего тока, тогда как для активного потенциала действия такой зависимости не наблюдается. Это связано с тем, что ПД обусловлен натриевым током, входящим через открывающиеся натриевые каналы.

131

1В гл. 2 мы говорили, что любой ток, протекающий в растворе и через биологические мембраны, порождается движущимися ионами. Принято считать, что ионный ток течет в направлении от положительного электрода к отрицательному, т.е. соответствует направлению движения катионов.

127 :: 128 :: 129 :: 130 :: 131 :: Содержание

132 :: 133 :: Содержание

5.2. Пассивные электрические свойства клеточных мембран

Прежде чем приступить к рассмотрению активных, электрических процессов в возбудимых тканях, необходимо остановиться на пассивных электрических свойствах клеточных мембран. Таких основных свойств два, и каждое из них порождается определенными структурными элементами мембраны.

1.В основе структуры мембраны лежит бимолекулярный липидный слой (дополнение 4-1); этот слой непроницаем для ионов, поэтому он может разделять заряды, если их носителями являются именно ионы. Таким образом, благодаря липидному бислою мембрана обладает емкостными свойствами.

2.В липидный бислой встроены ионные каналы, по которым, как мы уже говорили, неорганические ионы могут проходить через мембрану и переносить с собой электрические заряды. Благодаря этим каналам мембрана обладает проводимостью. Этими двумя свойствами-емкостью и проводимостью -объясняется пассивное электрическое поведение клеточных мембран.

Биологическую мембрану, обладающую проводимостью и емкостью, удобно представлять в виде эквивалентной электрической цепи (рис. 5-6), которая состоит из параллельно соединенных конденсатора и сопротивления. Конденсатор См-это аналог липидного бислоя, непроницаемого для ионов, а сопротивление Rм-аналог проводимости, обусловленной ионными каналами.

5.2.1. Проводимость мембраны

Проводимость мембраны служит мерой ее ионной проницаемости. Чем выше эта проводимость, тем большее число ионов может пересечь мембрану за

Рис. 5.6.

Простейшая эквивалентная электрическая схема клеточной мембраны, состоящая из мембранной емкости См и сопротивления Rм. Стрелки указывают направление

Рис. 5.8. Влияние размера клетки на потенциал, возникающий в ответ на прямоугольный импульс тока определенной величины. Входное сопротивление крупной клетки меньше, чем более мелкой, поэтому в соответствии с законом Ома входящий ток заданной величины вызовет в последней большее изменение потенциала.

изменении тока I изменение потенциала Vм у крупной клетки будет меньше, чем у мелкой, поскольку ток в первом случае будет протекать через большую площадь. Плотность тока через мембрану крупной клетки будет ниже, поскольку при прочих равных условиях электрическое сопротивление мембраны крупной клетки меньше (рис. 5-8) из-за большей площади поверхности мембраны и соответственно большего числа ионных каналов. Здесь можно провести аналогию с параллельным соединением двух одинаковых сопротивлений; если по этим сопротивлениям течет ток, то на них создается вдвое меньшее напряжение, чем в том случае, когда такой же ток протекает лишь по одному из них. Каждый ионный канал можно представить как очень маленький проводник электрического тока (или сопротивление), причем ток в данном случае-это движение ионов через клеточную мембрану. Поскольку входное сопротивление клетки R (т. е. общее сопротивление току, направленному в клетку или из нее) зависит как от удельного сопротивления мембраны Rм, так и от площади S, то при сравнении мембран разных клеток следует делать поправку на площади их поверхности. Удельное сопротивление мембраны равно

Поскольку

то

Величина Vм/ΔI измеряется в омах, а площадь -в квадратных сантиметрах,

поэтому Rм выражается в Ом·см2. Обратите внимание на то, что площадь поверхности мембраны и входное сопротивление клетки R обратно пропорциональны друг другу. Удельное сопротивление мембраны Rм зависит, естественно, от плотности ионных каналов и у различных клеток колеблется от

тысяч до десятков тысяч Ом·см2.

Величина, обратная удельному сопротивлению мембраны, называется ее удельной проводимостью Gм. Она выражается в сименсах на 1 см2. Проводимость мембраны связана с ее ионной проницаемостью, однако это не одно и то же. В соответствии с законом Ома проводимость для того или иного иона равна току, создаваемому при движении этого иона, деленному на действующую на данные ионы электрическую силу. Таким образом, проводимость мембраны для некоего иона X равна

где gx - проводимость мембраны для иона X, Ix - ток, переносимый данным ионом, ЭДСx-электродвижущая сила (в вольтах), действующая на данный ион. ЭДСx зависит от мембранного потенциала, однако не равнозначна ему; в этом мы убедимся несколько позже.

Даже если мембрана проницаема для иона X, проводимость для этого иона зависит от его концентрации в растворе. Если того или иного иона нет, то он, естественно, не может переносить ток. Очевидно также, что проницаемость мембраны для неэлектролитов не влияет на ее проводимость, поскольку неэлектролиты не несут заряды и, следовательно, не могут переносить ток. Таким образом, проводимость и проницаемость-это не одно и то же.

133

132 :: 133 :: Содержание

133 :: 134 :: Содержание

5.2.2. Емкость мембраны

Для перехода иона с одной стороны липидного бислоя на другую необходимо время, в 108 раз превышающее время свободной диффузии на такое же расстояние (5-10 нм) в водном растворе (например, в цитоплазме или внеклеточной жидкости). Поскольку электрический ток в водном растворе порождается ионами, такая чрезвычайно низкая подвижность ионов в липидном бислое обусловливает его высокое электрическое сопротивление. В связи с этим лишь очень небольшое число ионов проходит через липидный бислой как таковой; подавляющее же их большинство проникает через мембрану по ионным каналам или с помощью молекул-переносчиков.

Несмотря на то что липидный бислой почти непроницаем для ионов, электрические заряды все же фактически могут кратковременно "перетекать" через этот бислой, причем такой ток не

133

сопровождается переносом самих ионов через мембрану. Это сугубо временное перемещение зарядов обусловлено тем, что электрические поля, создаваемые ионами, могут действовать на небольшие расстояния через тонкий слой изолятора (в данном случае-через липидный бислой), и благодаря этому ионы, находящиеся по разные стороны мембраны, могут взаимодействовать между собой. Такое взаимодействие между положительными и отрицательными зарядами приводит к накоплению их на мембране. Поэтому, если к мембране приложить разность потенциалов, то под действием электрического поля положительные ионы будут перемещаться от катода к аноду. Ионы при этом не смогут пройти через липидный бислой, однако они будут скапливаться на поверхности мембраны: катионы со стороны катода, анионы-со стороны анода. В течение какого-то времени разноименные ионы будут накапливаться по разные стороны мембраны, однако настанет такой момент, когда взаимное отталкивание катионов (со стороны катода) превысит силу, создаваемую приложенным электрическим полем, и накопление катионов прекратится. То же самое произойдет и с анионами со стороны анода (рис. 5-9). Таким образом, в течение некоторого времени после приложения разности потенциалов будет наблюдаться перемещение зарядов в направлении к мембране с одной ее стороны и от мембраны-с другой. Такое перемещение создаст временный емкостный ток, хотя физического переноса конкретных ионов через мембрану происходить не будет.

Противоположно заряженные ионы, накопившиеся по разные стороны мембраны, могут электростатически взаимодействовать между собой. Способность бислоя накапливать или разделять заряды называется емкостью. Емкость измеряется в кулонах на вольт, или фарадах (Ф). Количество зарядов, которое может быть разделено слоем изолятора, зависит от его толщины и

диэлектрической постоянной. Мембраны клеток очень тонки (менее 10 нм) и практически непроницаемы для ионов на большей части их поверхности. Зная толщину мембран и диэлектрическую постоянную наиболее распространенных липидов, входящих в состав мембран (как мы уже говорили, диэлектрическая постоянная отражает способность изолирующего материала накапливать заряды), можно рассчитать емкость мембран нервных клеток. В большинстве мембран толщина липидного слоя, по-видимому, составляет 5 нм. Таким образом, если принять диэлектрическую постоянную липидов равной 3 (примерно такова эта величина у жирных кислот с цепочкой из 18 углеродных атомов), то емкость мембраны составит около 1 микрофарады (1 мкФ = 10 -6Ф) на 1 см2. Именно такие величины получают, измеряя емкость биологических мембран.

Рис. 5.9. Клеточная мембрана обладает емкостными

свойствами, поэтому она может разделять заряды. Катионы и анионы образуют по обе стороны мембраны два диффузионных слоя, которые электростатически взаимодействуют друг с другом.

Благодаря такому взаимодействию трансмембранное разделение зарядов фактически осуществляется лишь в областях, непосредственно прилегающих к наружной и внутренней поверхностям мембраны.

Поэтому, за исключением избытка в несколько анионов и катионов, которое создается в этом микроскопическом пространстве, в целом во внеклеточной и внутриклеточной средах правило электронейтральности не нарушается.

134

133 :: 134 :: Содержание

134 :: 135 :: Содержание

5.2.3. Электротонический потенциал

Емкость и проводимость мембраны, представленной в виде эквивалентной электрической цепи на рис. 5-10,А, можно исследовать с помощью экспериментальной установки, подобной той, которая изображена на рис. 5-4. Представим себе, что от электрода сравнения, погруженного в раствор, к микроэлектроду, введенному в клетку, подается ток величиной / (ампер) в виде прямоугольного импульса. Для замыкания цепи ток должен пройти через клеточную мембрану. При этом происходит его разветвление - одна его часть направляется через мембранного потенциала (рис. 5-10,Б, кривая Vм). Ocoлельную ему мембранную емкость (рис. 5-10,A). В результате происходит пассивное изменение мембранного потенциала (рис. 5-10,Б, кривая Vм). Особенности этого пассивного изменения потенциала, или электротонического потенциала, определяются протеканием приложенного тока через мембранную емкость и сопротивление. Прямоугольный импульс тока Iм, поданный на мембрану, "распределяется"

134

между мембранной емкостью и сопротивлением, причем это распределение зависит от времени. Сначала большая часть тока "протекает" через мембранную емкость (напоминаем, что "прохождение" тока через емкость связано не с физическим переносом заряженных частиц, а просто с электростатически обусловленным перераспределением зарядов). По мере того как этот кратковременный ток "протекает" через емкость, на ней накапливаются заряды и разность потенциалов на ее обкладках увеличивается (или, если происходит деполяризация, уменьшается). Из-за этой разности потенциалов новые поступающие к мембране заряды начинают "отталкиваться", и скорость зарядки "конденсатора" снижается. Таким образом, емкостный ток IC экспоненциально убывает во времени (рис. 5-10,Б), тогда как мембранная разность потенциалов параллельно возрастает. Ток IR, протекающий через мембранное сопротивление (т.е. через ионные каналы), также экспоненциально возрастает

(рис. 5-10,Б).

Временное изменение потенциала при зарядке емкости описывается уравнением

где V∞ - напряжение на обкладках конденсатора, которое создается при подаче в цепь прямоугольного импульса тока, при t = ∞, t-время от момента подачи импульса в секундах, R-сопротивление цепи в омах, С-емкость цепи в фарадах, Vt - напряжение на обкладках конденсатора в момент времени t.

Когда t = RC, Vt = V∞ - 1/e) = 0,63 V∞. Величина t, равная произведению RC, называется постоянной времени τ данного процесса. Видно, что она не зависит о т V∞ и от приложенного тока и соответствует тому времени, за которое напряжение на обкладках конденсатора достигает 63% от асимптотического значения V∞ (см. рис. 5-7).

135

134 :: 135 :: Содержание

135 :: 136 :: 137 :: Содержание

5.3. Электрохимический потенциал

Мы остановились на двух основных пассивных электрических характеристиках клеточных мембран-емкости и проводимости. Перейдем теперь к рассмотрению электрохимического потенциала, являющегося источником энергии для активных электрических процессов, протекающих в мембране, и обусловливающего потенциал покоя. Именно электрохимический потенциал служит первопричиной почти всех электрических процессов, протекающих в живых системах. Как мы вскоре увидим, он обусловлен двумя основными свойствами всех эукариотических клеток: 1) асимметричным распределением ионов между вне- и внутриклеточной жидкостями, поддерживаемым метаболическими процессами; 2) избирательной проницаемостью ионых каналов клеточных мембран.

Рис. 5.10.

А. Эквивалентная электрическая схема для системы, в которой на клеточную мембрану подается прямоугольный импульс тока. Для того чтобы величина тока была постоянной, сопротивление источника тока должно быть очень большим. Б. Изменения во времени тока через сопротивление Ir, емкостного тока Ic,

мембранного потенциала Vм (в данном случае-потенциала на мембранном сопротивлении и мембранной емкости) и суммарного тока через мембрану Iм.

Проведем такой мысленный эксперимент (рис. 5-11). Представим, что некий сосуд разделен на два отсека мембраной, проницаемой только для ионов калия. Пусть в начале нашего эксперимента в обоих отсеках содержится 0,01 М раствор KCl. Если мы поместим в эти отсеки по электроду, то никакой разности

потенциалов между ними не будет. Поскольку наша мембрана пропускает только ионы К+, но не Сl-, ионы калия будут диффундировать через мембрану без своих "спутников"-анионов. При этом в среднем число ионов калия, проходящих из отсека I в отсек II и наоборот, будет одинаковым (концентрации растворов в обоих отсеках равны) и суммарный ток К+ будет равен 0. Поэтому и разность потенциалов по обе стороны мембраны тоже будет равна 0 (рис. 5- 11,A). Теперь мысленно

135

Рис. 5.11.

Электрохимическое равновесие. А. Некая емкость разделена мембраной,

проницаемой только для ионов К+, на два отсека (I и II), в каждом из которых содержатся растворы КСl в концентрации 0,01 М. Б. Если увеличить концентрацию

КСl в отсеке I до 0,1 М, то возникнет небольшой результирующий ток ионов К + в раствор II, который будет поддерживаться до тех пор, пока ЭДС, действующая на эти ионы, не уравновесит влияние их концентрационного градиента (В). После

наступления равновесия суммарный поток ионов К+ через мембрану станет равным нулю. Г. Механическая модель, имитирующая электрохимическое равновесие. Аналогом разности потенциалов, возникающей в результате диффузии того или иного иона через полупроницаемую мембрану, служит растяжение пружины, а аналогом концентрационного градиента, движущей силы этой диффузии,-масса груза. Сила тяжести, вызывающая растяжение пружины, равна силе упругости.

добавим в отсек I дополнительное количество КС1 так, чтобы концентрация его возросла до 0,1 М (т.е. в 10 раз превысила концентрацию в отсеке II; рис. 5- 11,Б). Поскольку содержание ионов К+ в отсеке I станет выше, будет наблюдаться суммарный диффузионный ток этих ионов из отсека I в отсек II.

Это приведет к тому, что число положительных зарядов в последнем увеличится. Вследствие этого в отсеке II быстро будет нарастать положительный потенциал, и стрелка вольтметра укажет на наличие разности потенциалов между отсеками (рис. 5-11,B). Достигнув определенного уровня, эта разность потенциалов будет поддерживаться бесконечно долго (если только мембрана абсолютно непроницаема для ионов Сl-).

Почему же между двумя отсеками возникает и постоянно поддерживается разность потенциалов? Дело в том, что после увеличения концентрации КСl в отсеке I на каждый ион К+ , диффундирующий через калиевые каналы из отсека II в отсек I, в среднем приходится 10 ионов К+, переходящих в обратном направлении. Таким образом, разность концентраций К+ представляет собой химический градиент, или "химическую разность потенциалов", приводящий к суммарному диффузионному току через мембрану из отсека I в отсек II (рис. 5- 11,Б). Поскольку Сl- не может переходить через мембрану вместе с К+ , переход в отсек II каждого иона калия приводит к повышению содержания в этом отсеке положительных зарядов. По мере того как ионы калия накапливаются в отсеке II, трансмембранная разность потенциалов быстро возрастает, поскольку по одну сторону мембраны уже имеется избыток положительных зарядов, а по другую -отрицательных (см. рис. 5-9). Переход К + в отсек II сопровождается повышением положительного потенциала в этом отсеке, поэтому дальнейшая диффузия ионов калия становится все более затрудненной из-за взаимного отталкивания положительных зарядов. Таким образом, на каждый ион К+, проходящий через мембрану по калиевым каналам, действуют теперь две силыхимическая разность потенциалов, способствующая переходу К + из отсека I в

отсек II, и электрическая разность

136

потенциалов, заставляющая ионы калия двигаться в обратном направлении (рис 5-11,B). После того как в результате накопления ионов К + в отсеке II на мембране возникнет определенная разность потенциалов, эти две силы уравновесятся: стремление К+ диффундировать по концентрационному градиенту будет сбалансировано электростатической силой -трансмембранной разностью потенциалов. При этом говорят, что ионы К+ находятся в электрохимическом равновесии, а разность потенциалов, возникающая на мембране при таком состоянии, называется равновесным потенциалом для данного иона (в данном случае эта разность потенциалов представляет собой равновесный калиевый потенциал Ек).

Состояние равновесия между концентрационным градиентом для какоголибо иона и возникающей в результате перемещения этого иона разностью потенциалов можно проиллюстрировать с помощью простой аналогии, приведенной на рис. 5-11,Г. Представим, что мы потихоньку отпускаем груз, подвешенный на пружине. По мере того как груз под действием силы тяжести будет опускаться, он будет растягивать пружину и сила ее упругости будет возрастать. В конечном счете эта сила станет равна силе тяжести, и груз будет

удерживаться растянутой пружиной в определенном положении; система придет в равновесие. Сила тяжести груза в данном случае аналогична химическому градиенту, а сила упругости, возникающая в пружине,- трансмембранной разности потенциалов. Сила тяжести груза вызывает растяжение пружины и увеличение силы упругости, причем последняя возрастает до тех пор, пока не становится равной силе тяжести и груз не перестает опускаться. Точно так же переход зарядов из отсека I в отсек II приводит к появлению электрической силы (разности потенциалов), а та в свою очередь препятствует дальнейшему переносу зарядов и уравновешивает разность концентраций ионов по обе стороны мембраны.

Если какой-либо ион находится в состоянии электрохимического равновесия, суммарный ток этого иона через мембрану (даже если он может свободно переходить через нее) отсутствует. С другой стороны, если для того или иного иона, присутствующего в растворе, мембрана непроницаема, то он не влияет на состояние равновесия. Так, в нашей воображаемой системе ионы Сl- отнюдь не находятся в электрохимическом равновесии (они стремятся перейти из отсека I в отсек II), однако они абсолютно не влияют на мембранный потенциал, поскольку не могут диффундировать через мембрану.

Важно также отметить, что состояние равновесия наступает в результате диффузии из одного отсека в другой лишь очень небольшого количества ионов (по сравнению с их общим содержанием в растворе). Так, в нашем мысленном эксперименте концентрации КС1 в обоих отсеках к концу опыта практически не изменились, поскольку число этих ионов, перешедших из отсека I в отсек II, пренебрежимо мало по сравнению с их общим содержанием в растворе. Подробнее этот вопрос рассмотрен в дополнении 5-1.

137

135 :: 136 :: 137 :: Содержание

Рис. 5.13.

Зависимость потенциала покоя мышечной клетки лягушки от концентрации К + во внеклеточной среде. В соответствии с уравнением Нернста десятикратное

увеличение отношения [K+]o/[K+]i должно сопровождаться снижением абсолютного

значения потенциала покоя на 58 мВ. Этой теоретической зависимости соответствует на рисунке прямая линия. На график нанесены также экспериментальные точки. Вторая приведенная на рисунке зависимость, не

являющаяся линейной, получена исходя из уравнения (5-7) при PNa = 0,01 Рк [K+]i

принято равным 140 мМ. (Hodgkin, Horowicz, 1960.)

диффундирующих ионов:

Здесь Рк, РNa и РCl-проницаемости для основных ионов, присутствующих во внутри- и внеклеточной средах.

Таким образом, в соответствии с уравнением (5-7) вероятность диффузии данного иона через мембрану пропорциональна произведению концентрации (точнее - термодинамической активности) этого иона и проницаемости мембраны для него. Поэтому вклад каждого иона в мембранный потенциал будет тем меньше, чем меньше его концентрация. Это видно из рис. 5-13, на котором представлен график зависимости мембранного потенциала живой клетки от внеклеточной концентрации К+-основного иона, определяющего потенциал покоя. При высоких концентрациях К+ наклон кривой равен примерно 58 мВ на десятикратное увеличение содержания калия. При низких же концентрациях эта кривая перестает совпадать с теоретической кривой для Е к, поскольку важную роль в создании мембранного потенциала начинает играть Na+: хотя проницаемость мембраны для этого иона мала, произведение PNa[Na+]o численно приближается к произведению Рк[К+]o. Используя меченые изотопы, Ричард Д. Кейнс в 1954 г. определил проницаемость мышцы лягушки для основных ионов. Оказалось, что проницаемость для натрия примерно в 100 раз меньше, чем для калия. Поэтому для мембран мышечных клеток1 уравнение Голдмана можно записать в следующем упрощенном виде:

Исследования с применением микроэлектродов показали, что потенциал покоя клеток скелетных мышц лягушки колеблется от -90 до -100 мВ. Такое хорошее соответствие экспериментальных данных теоретическим подтверждает, что потенциал покоя в значительной степени определяется простыми - диффузионными потенциалами неорганических ионов.

В мышцах, нервах и большинстве других клеток потенциал покоя намного более чувствителен к изменениям внеклеточной концентрации калия, чем других катионов. Это хорошо согласуется с тем, что и проницаемость клеточных мембран для К+ относительно велика по сравнению с остальными катионами: в покое в мембране преимущественно открыты каналы, избирательно пропускающие К+ . Что же касается, например, Na+, то значительные изменения внеклеточной концентрации этого иона оказывают лишь слабое влияние на мембранный потенциал: проницаемость мембраны для Na+ мала.

139

138 :: 139 :: Содержание

139 :: 140 :: 141 :: Содержание

5.4.2. Роль активного транспорта

Если рассмотреть "идеальную" мембрану (такую, например, как на рис. 5-1), пропускающую только один какой-либо ион, то мы увидим, что постоянный потенциал на ней будет поддерживаться без затрат энергии сколь угодно долго (если, конечно,

139

проникающий ион неравномерно распределен по обе стороны мембраны). Это и понятно, поскольку такая система находится в состоянии термодинамического равновесия. Однако мембраны живых клеток проницаемы в той или иной степени для всех неорганических ионов, и, следовательно, клетки должны както поддерживать соответствующие концентрации этих ионов. Для этого они используют механизм активного транспорта некоторых ионов против их пассивного потока по направлению электрохимического градиента.

Рассмотрим, например, ион Na+. Вне- и внутриклеточная концентрации этого иона в мышцах лягушки (см. рис. 4-17) составляют соответственно 120 и 10 мМ. Зная эти величины, мы можем рассчитать равновесный потенциал для натрия:

Поскольку же Vм для мышц лягушки составляет от -90 до -100 мВ, для натрия отклонение от равновесного потенциала (т. е. Vм - ENa) превышает 150

мВ. Поэтому даже та небольшая проницаемость для ионов Na+, которой обладает мембрана в состоянии покоя, приведет к постепенному притоку этих ионов в клетку под действием такого высокого потенциала. Если бы ионы Na+ не удалялись из клетки с такой же скоростью, с какой они туда поступают, они накапливались бы в ней и это сопровождалось бы выходом из клетки ионов К+. На самом же деле высокая концентрация ионов калия и низкая-ионов натрия в клетке поддерживается благодаря постоянному переносу Na+ из клетки. Этот перенос требует затрат метаболической энергии. Активное "выкачивание" Na + идет с обязательным обратным "закачиванием" К + ; обычно три иона натрия обмениваются на два иона калия. Поскольку же проницаемость мембраны для натрия в покое мала, обратная "утечка" Na + происходит медленно, поэтому в результате работы Na +-К+-насоса поддерживается низкая концентрация Na+ в клетке (примерно на порядок ниже, чем во внеклеточной среде). Проницаемость же для К+ в покое велика, и этот ион свободно диффундирует через мембрану. Разумеется, при этом высокое содержание К+ в клетке сохраняется благодаря трансмембранной разности потенциалов, обусловленной небольшим "дефицитом" положительных зарядов в клетке, возникающим при исходно

Рис. 5.14.

Схема, иллюстрирующая прямое и косвенное участие натриевого насоса в создании потенциала покоя. Поскольку этот насос работает таким образом, что, удаляя из

клетки три иона Na+, он вводит в нее два иона К+, т.е. в конечном счете удаляет из клетки положительные заряды, он может вносить прямой вклад в создание

потенциала покоя. Косвенная роль Na +-K+-насоса связана с тем, что он поддерживает высокую концентрацию калия во внутриклеточной среде. Основным же фактором, ответственным за создание потенциала покоя, служит высокая проницаемость мембраны для калия (по сравнению с другими ионами), благодаря которой калий диффундирует из клетки до тех пор, пока его выходу не будет препятствовать накопление в клетке отрицательных зарядов.

141

1Ион Cl- в отличие от ионов Na+ и K+ не переносится активно через клеточную мембрану, а просто пассивно распределяется между наружной и внутренней средами в соответствии с мембранным

потенциалом; это означает, что ECl = Vм. Таким образом, не ион Cl- вносит вклад в создание

мембранного потенциала, а скорей наоборот - мембранный потенциал задает распределение Cl-. Поэтому при расчете мембранного потенциала концентрацией этого иона можно пренебречь. Однако в других

клетках ионы Cl- не находятся в состоянии электрохимического равновесия по разные стороны мембраны и могут участвовать в создании мембранного потенциала.

139 :: 140 :: 141 :: Содержание

141 :: 142 :: Содержание

5.5. Активные электрические процессы

Электрическая энергия, запасаемая на клеточной мембране благодаря работе метаболических ионных насосов, может избирательно высвобождаться в виде ионных токов. При этом возникают активные электрические сигналы, характерные для возбудимых тканей. Для того чтобы понять природу этих процессов, удобно опять представить мембрану в виде параллельно соединенных емкости и сопротивления (см. рис. 5-10). Однако теперь нам придется включить в эту схему отдельное сопротивление для каждого иона. Эти сопротивления будут соответствовать активированным (открытым) каналам, по которым через мембрану течет тот или иной ионный ток. Кроме того, в схему надо будет включить источники ЭДС ("батарейки"), отвечающие равновесным потенциалам для соответствующих ионов. Зарядка этих "батареек" обусловлена неравномерным распределением ионов по разные стороны мембраны, которое в свою очередь создается благодаря активному транспорту ионов.

Ионные токи, как и любые другие электрические токи, подчиняются закону Ома [см. уравнение (5-1)]. Согласно этому закону, сила тока пропорциональна электродвижущей силе (ЭДС, или напряжению), действующей на переносчики зарядов (в данном случае-ионы), и проводимости мембраны для данного тока. Эта проводимость в свою очередь зависит от проводимости отдельных открытых ионных каналов и от их числа. Электродвижущая сила, действующая на некий ион X (ЭДСx), проходящий по мембранным каналам, равна разности между мембранным потенциалом и равновесным потенциалом Еx для иона X:

Сила тока Ix, переносимого ионом X, равна

г д е qx-проводимость ионных каналов, по которым ион X проходит через мембрану. Подставляя в соотношение (5-9) выражение (5-8), мы можем записать закон Ома в иной форме:

Ясно, что, даже если проводимость qx для иона X очень велика, при Vм = Еx ток этого иона через мембрану будет равен нулю. Точно так же Ix будет равен 0 при qx = 0 независимо от величины ЭДС.

В течение коротких промежутков времени Еx

141

может меняться лишь очень незначительно, поскольку он зависит от концентрационного градиента иона X, а этот градиент при кратковременных ионных токах обычно не меняется. Таким образом, величина тока, переносимого ионом X, зависит от изменений проводимости для этого иона qx. Это означает, что электрические токи, протекающие через биологические мембраны, определяются изменениями ионных проводимостей (т.е. числом активированных ионных каналов)1. Иными словами, в ответ на определенные стимулы открываются ионные каналы, и это приводит к высвобождению потенциальной энергии, запасенной в виде трансмембранных концентрационных градиентов различных ионов; сами же градиенты создаются благодаря активному переносу, идущему с затратами энергии.

Итак, мы можем выделить три процесса, необходимые для возникновения активных электрических сигналов (т. е. возбуждения мембраны).

1.Активный перенос ионов мембранными насосами, в результате которого по разные стороны мембраны создается неравномерное распределение различных ионов.

2.Наличие электрохимического градиента, обусловленного неравномерным распределением различных ионов.

3.Открывание ионных каналов, избирательно проницаемых для того или иного иона. Через открытые каналы может течь ионный ток, движущей силой для которого служит электрохимический градиент для данного иона.

142

1Здесь есть небольшая неточность: величина ионных токов, протекающих через мембрану, определяется не только изменениями проводимости, но и изменениями ЭДС, действующей на каждый ион: в ходе потенциала действия Ex действительно остается постоянным, однако мембранный потенциал Vм

существенно изменяется, а следовательно, меняется и ЭДС. Об этом автор подробно пишет в следующем разделе.- Прим, перев.

141 :: 142 :: Содержание

142 :: 143 :: 144 :: Содержание

5.6. Ионные основы потенциала действия

5.6.1. Общие свойства потенциала действия

Потенциал действия2 возникает на мембранах нервных и мышечных клеток, а также некоторых рецепторных и секреторных клеток и простейших микроорганизмов. Этот потенциал выполняет две основные функции.

1.Быстрая передача информации на большие расстояния по нервным и мышечным волокнам.

2.Регуляция эффекторных ответов (в том числе активация потенциалзависимых ионных каналов, т.е. каналов, проницаемость которых зависит от мембранного потенциала, сокращение мышц и эк-зоцитоз).

Для того чтобы разобраться в некоторых особенностях потенциалов действия (ПД), продолжим мысленный эксперимент, описанный в разд. 5.1. Предположим, что мы пропускаем через мембрану нервной клетки кратковременный импульс тока, направленного наружу (рис. 5-15, нижний график). Если ток будет небольшой, то мембрана ответит пассивной деполяризацией, однако по достижении величины, достаточной для того, чтобы деполяризация достигла порогового уровня, возникнет потенциал действия. Если же степень деполяризации лишь ненамного меньше порогового потенциала, то часто наблюдается некое "прерванное", нераспространяющееся возбуждение - так называемый локальный ответ. Он представляет собой просто начало потенциала действия, который не смог стать самоподдерживающимся и угас.

Минимальная величина тока, достаточная для деполяризации мембраны до уровня порогового потенциала (т.е. для возникновения ПД), называется пороговым током. Ни пороговый ток, ни

Рис. 5.15. Потенциал действия, возникающий на мембране нервной клетки в ответ на деполяризующий стимул, при котором мембранный потенциал достигает порогового уровня. Более слабые деполяризующие раздражители не могут вызвать такие электрические реакции по типу "все или ничего". Пунктиром изображен такой потенциал, который возникал бы, если бы мембрана реагировала на достаточно сильные раздражители только пассивным образом.

142

пороговый потенциал не представляют собой какой-то определенной величины, поскольку они зависят от нескольких факторов, в том числе от состояния мембраны и ее окружения, длительности импульса тока и сопротивления мембраны.

По достижении порогового потенциала дальнейшая деполяризация, отвечающая за фазу подъема ПД, становится регенеративной (т. е. лавинообразно нарастающей, самоусиливающейся). В клетку продолжают поступать положительные заряды, внутриклеточный потенциал становится все менее отрицательным и, наконец, положительным (т.е. знак поляризации мембраны меняется на противоположный). Максимальное значение положительного потенциала во время ПД достигает 30-50 мВ. Участок ПД, при котором внутриклеточный потенциал положителен, называется овершутом

(рис. 5-15).

Именно регенеративный характер ПД позволяет импульсам распространяться по аксонам нервных клеток или по мышечным волокнам на большие расстояния без затухания (уменьшения амплитуды). Подробнее распространение ПД рассматривается в гл. 6.

При постоянных условиях можно зарегистрировать либо максимальный электрический ответ мембраны, либо очень небольшой "абортивный" локальный ответ, но не какие-либо промежуточные по величине реакции, поэтому говорят, что ПД подчиняется закону "все или ничего". Величина овершута зависит от состояния мембраны или от состава внутриклеточной и внеклеточной сред, однако это отнюдь не противоречит данному закону. Он лишь гласит, что амплитуда реакции (ПД) не зависит от силы раздражителя.

Еще одна характерная особенность ПД-это быстрая реполяризация до

Рис. 5.17. Аккомодация. Величина тока, необходимая для того, чтобы мембранный потенциал достиг порогового уровня, тем больше, чем дольше клетка подвергается подпороговому раздражению. Рисунок иллюстрирует опыт, в котором на нервную клетку действовали постепенно нарастающим током, причем скорость нарастания была различной. В том случае, когда эта скорость была наиболее высокой (а.), пороговый потенциал был ближе всего к потенциалу покоя. Когда же эта скорость снижалась, разность между потенциалом покоя и пороговым потенциалом увеличивалась (б и в). В том случае, когда скорость нарастания раздражителя была слишком малой, порог так и не достигался (т).

возрастает) до такого же уровня, как и перед первым раздражением (рис. 5-16, Б). Снижение возбудимости, или рефрактерностъ, во время ПД и в течение определенного времени после него препятствует слиянию импульсов, но позволяет распространяться отдельным спайкам.

При подоороговой деполяризации наблюдается зависящее от времени снижение возбудимости (т. е. возрастание порога). Это можно обнаружить, если для деполяризации использовать не прямоугольный импульс тока, а ток с постепенно нарастающей амплитудой. Оказывается, что при таком плавном повышении силы тока для возникновения ПД необходимо деполяризовать клетку в большей степени (рис. 5-17). Эта особенность возбудимых мембран, обусловленная зависящим от времени изменением чувствительности мембранных каналов к деполяризации, называется аккомодацией.

Аккомодация возбудимых мембран наблюдается также при пропускании тока постоянной силы. В мембранах некоторых нервных клеток аккомодация развивается быстро, поэтому при воздействии постоянного тока в них возникают лишь 1-2 ПД в самом начале этого воздействия. Другие же клетки аккомодируются медленнее, и при длительном пропускании тока постоянной силы они дают повторные разряды, частота которых лишь постепенно уменьшается (рис. 5-18). Из гл. 7 мы узнаем, что аккомодация играет важную роль в физиологии сенсорных систем: она является одним из факторов, определяющих, вызовет ли длительное воздействие в том или ином чувствительном нейроне постоянный или кратковременный разряд. Уменьшение частоты разрядов при постоянном воздействии называется

адаптацией (рис. 5-18, Б).

Рис. 5.18. Адаптация, или снижение частоты разрядов при постоянно действующем стимуле. А. Адаптация выражена слабо и проявляется лишь в постепенном увеличении интервала между спайками. Б. Такой же раздражитель вызывает лишь один или два импульса.

144

2В нейрофизиологии потенциалы действия в связи с их характерной конфигурацией называют "спайками". Спайк, импульс и потенциал действия-это термины-синонимы, которыми в литературе часто обозначают одно и то же явление.

1Здесь может создаться впечатление, что главная особенность периода рефрактерности-это снижение амплитуды потенциала действия в ответ на раздражение. Однако на самом деле основная характеристика рефрактерности-это снижение возбудимости, т.е. увеличение порога раздражения, о чем автор пишет ниже.-Прим. перев.

142 :: 143 :: 144 :: Содержание

144 :: 145 :: 146 :: 147 :: 148 :: Содержание

5.6.2. Натриевая гипотеза

Многим из того, что мы знаем сегодня об электровозбудимых мембранах, мы обязаны сообщению, сделанному в 1936 г. английским зоологом Джоном Юнгом. Этот ученый обнаружил, что особые длинные тяжи у кальмаров и каракатиц (рис. 5-19) являются не кровеносными сосудами, как считалось ранее, а необычайно толстыми аксонами. Они получили название гигантских аксонов и стали излюбленным объектом для изучения функций мембран: благодаря их очень большому диаметру (до 1 мм) можно было вводить в них в продольном направлении проволочные электроды и записывать потенциалы (рис. 5-20, А).

Первые крупные открытия, связанные с экспериментами на гигантских аксонах кальмара, были сделаны в 1939 г. независимо друг от друга Кеннетом Коулом и Говардом Кертисом (Вудс-Холл, Массачусетс), с одной стороны, и Аленом Ходжкином и Эндрью Хаксли (Плимут, Великобритания)-с другой. Коул и Кертис показали, что во время ПД проводимость мембраны возрастает без каких-либо существенных изменений ее емкости (рис. 5-21). Ходжкин и Хаксли обнаружили, что мембранный потенциал во время ПД не просто уменьшается до нуля, но меняет свой знак на противоположный (рис. 5-20, Б). Этот факт противоречил распространенной в то время гипотезе о том, что увеличение ионной проницаемости во время возбуждения носит неспецифический характер (т.е. мембрана

144

Рис. 5.19. Кальмар Loligo и его гигантские аксоны. Благодаря своим

крупным размерам эти аксоны быстро проводят возбуждение и тем самым обеспечивают достаточно синхронную активацию мышц мантии. Сокращаясь, эти мышцы вызывают резкий выброс воды, и потревоженный кальмар делает бросок назад. (Keynes, 1958.)

становится проницаемой в одинаковой степени для всех ионов) и что ПД обусловлен просто-напросто полной деполяризацией мембраны.

В дальнейшем Ходжкин и Бернард Катц (1949) обнаружили, что если удалить из внеклеточной среды Na+, то ПД не возникает. Если же заменить внеклеточный Na+ на непроникающий катион (например, холин), то скорость деполяризации и амплитуда ПД снижается (рис. 5-22). На основании этих данных они высказали так называемую натриевую гипотезу., согласно которой фаза подъема и овершут ПД обусловлены временным повышением проницаемости мембраны для Na+ и входом этого иона в клетку.

В пользу натриевой гипотезы говорят следующие соображения и факты.

1.Содержание Na+ во внеклеточной среде примерно в 10 раз больше, чем в клетке, поэтому ENa составляет 50-60 мВ. Направление действующей на ионы Na+ ЭДС таково, что эти ионы стремятся пройти в клетку. Численно эта ЭДС равна Vм - ENa (разд. 5.5).

2.Поскольку ионы Na+ заряжены положительно, их вход в клетку должен привести к изменению знака внутриклеточного потенциала на положительный (что, как мы уже знаем, и наблюдается в действительности).

3.На высоте овершута ПД приближается к равновесному натриевому

ширина которого пропорциональна проводимости мембраны. Видно, что во время ПД и в течение короткого промежутка после него проводимость увеличена. Повторив этот опыт с колебаниями разной частоты, Коул и Кертис обнаружили, что емкость мембраны во время возбуждения не меняется. Интервал между отметками времени (внизу) -1 мс.

Рис. 5.22.

Зависимость величины овершута ПД гигантского аксона кальмара от содержания

Na+ во внешней среде. 1 -контрольная кривая, полученная при нормальном составе среды (морская вода). Кривые 2-5 соответствуют постепенному изменению конфигурации ПД при замене среды, сходной с морской водой, на раствор,

содержащий холинхлорид вместо NaCl; при этом концентрация Na + вблизи мембраны, т. е. под слоем прилегающих к ней тканей, постепенно снижалась. Кривая 6 получена после того, как раствор был вновь заменен на морскую воду. (Hodgkin, Katz, 1949.)

Во время второй мировой войны Ходжкин и Хаксли вынуждены были временно прекратить свои работы на гигантских аксонах кальмара. После войны они вновь приступили к опытам, но уже с использованием нового и чрезвычайно информативного метода-так называемого метода фиксации потенциала (см. дополнение 5-3). Этот метод позволил им получить дополнительные данные в поддержку натриевой гипотезы. В двух словах в методе фиксации потенциала (впервые примененном на гигантском аксоне кальмара) используется система с обратной связью, позволяющая скачкообразно изменять мембранный потенциал до любого необходимого уровня и поддерживать (фиксировать) его на этом уровне; в опыте измеряется ионный ток, протекающий через мембрану при подобном изменении потенциала. При такой постановке эксперимента исследователь имеет дело с меньшим числом неконтролируемых факторов, чем в том случае, когда на мембране в ответ на импульс деполяризующего тока свободно развивается ПД (см. рис. 5-5 и 5-15). Метод фиксации потенциала оказался чрезвычайно плодотворным для изучения работы потенциалзависимых каналов, по которым такие ионы, как Na+ и К+, проходят через мембрану и вызывают изменение мембранных потенциалов.

Из рис. 5-23 видно, что в ответ на действие гиперполяризующего потенциала (кривая а) через мембрану начинает течь очень небольшой и постоянный входящий ток (кривая а), который сохраняется в течение всего времени гиперполяризации. Однако такой же по величине деполяризующий сдвиг потенциала (кривая б) сопровождается более

Рис. 5.23. Кривые, полученные в опыте с фиксацией потенциала. При гиперполяризации (кривая а) наблюдается лишь небольшой постоянный мембранный ток (а'). При деполяризации же сначала возникает входящий ток (кривая б', отклонение вниз), а затем наблюдается медленно развивающийся задержанный выходящий ток (кривая б', смещение вверх). (Hodgkin, Huxley, Katz, 1952.)

146

Рис. 5.24.

Разграничение натриевого и задержанного выходящего токов. А. Кривая изменения мембранного потенциала; ступенчатая деполяризация на 60 мВ. Б. Кривая а

соответствует суммарному току, переносимому ионами Na+ и К+ в условиях нормального состава внеклеточной среды (морская вода); кривая б отражает лишь

ток, переносимый ионами Х+ , поскольку она была получена при таком снижении содержания Na+ во внешней среде, когда Vм во время подачи стимула был равен

равновесному натриевому потенциалу; значит, хотя натриевые каналы и были открыты, ток через них не шел. В. Кривая, соответствующая натриевому току, получена путем вычитания кривой б из кривой a. (Hodgkin, Huxley, 1952а.)

значительными и сложными изменениями мембранных токов (кривая б'). Вначале кривая б' кратковременно отклоняется вниз. Это означает, что в ответ на деполяризацию очень быстро возникает входящий ток. Этот ранний входящий ток сохраняется в течение 1-2 мс, а затем сменяется более медленно развивающимся задержанным выходящим током (отклонение кривой вверх). Ранний входящий ток вызвал особый интерес, поскольку он порождается проникновением положительных зарядов в клетку и, следовательно, его можно связать с фазой нарастания1 ПД, обусловленной, как предполагалось, входом

Na+ .

Для проверки предположения о том, что ранний входящий ток обусловлен ионами натрия, Ходжкин и Хаксли заменили эти ионы во внеклеточной среде на холин. Ранний входящий ток исчез (рис. 5-24), вместо него наблюдался лишь небольшой ранний выходящий ток. Что же касается задержанного выходящего тока, то он в этих условиях не изменялся. Если аксон вновь погружали в среду с нормальным содержением натрия, то входящий ток восстанавливался. Такое восстановление свидетельствовало о том, что этот входящий ток обусловлен временным входом Na+ через мембрану в клетку. В соответствии с такой точкой зрения деполяризующий импульс приводит к кратковременному открыванию большого числа натриевых каналов, через которые ионы Na+ входят в аксон (создается натриевый ток). Иными словами, открывание натриевых каналов приводит к повышению натриевой проводимости qNa. При обычном составе внеклеточной жидкости направление электрохимического градиента, действующего на Na+ (Vм - ENa), таково, что этот ион стремится войти в клетку. Значит, при повышении qNa возрастает и натриевый ток:

При замене Na+ во внеклеточной среде на такой непроникающий ион, как холин, электрохимический градиент для Na+ меняет свой знак на противоположный, и направление натриевого тока также становится обратным.

Ходжкин и Хаксли сумели исследовать раздельно временной ход входящего и задержанного выходящего токов. Для этого они сначала регистрировали суммарный ток в препарате, погруженном в нормальный физиологический раствор, а затем снижали содержание натрия во внеклеточной среде, заменяя его на холин. При этом они создавали такую концентрацию Na+, чтобы при том уровне потенциала, который они подавали на мембрану, эти ионы находились в равновесии (т. е. Vм - ENa = 0) (рис. 5-24). В этих условиях в ответ на подачу деполяризующего потенциала натриевый ток уже не возникал, и оставался лишь задержанный выходящий ток (рис. 5-24,5). В дальнейшем было показано (см. ниже), что носителями этого тока являются ионы К+. Ходжкин и Хаксли вычли задержанный выходящий ток из суммарного тока, который регистрировался при нормальном составе внеклеточной среды. Разность между двумя этими токами (на рис. 5-24, Б закрашенная область) и принималась за величину входящего тока, переносимого ионами Na+ (рис. 5-24,5).

Что же мы можем сказать о свойствах мембраны исходя из особенностей натриевого тока? Прежде всего напомним, что, согласно закону Ома, натриевый т о к INa зависит от двух величин [см. уравнение (5-11)]: 1) проводимости

мембраны для Na+, qNa; 2) действующей на ионы Na+ электрохимической движущей силы (ЭДС), т. е. Vм - ENa. Значит, если резко деполяризовать мембрану до нового фиксированного потенциала, то временной ход натриевого

тока будет отражать те изменения натриевой проводимости во времени, которые возникают

147

в ответ на деполяризацию. Иными словами, то увеличение INa, которое иллюстрирует рис. 5-24, B дает возможность судить о соответствующем увеличении натриевой проводимости. Как мы видим из рисунка, несмотря на то что уровень деполяризации (т. е. Vм) удерживается постоянным, натриевая проводимость сначала (в пределах 1 мс) достигает максимума, а затем быстро спадает и возвращается к исходному уровню (рис. 5-24,B). Это означает, что в мембране протекают два разных процесса. Первый из них - увеличение натриевой проводимости при деполяризации-называется активацией, второйпостепенное, или зависящее от времени, снижение натриевой проводимости до исходного уровня - инактивацией.

148

1Для обозначения фазы нарастания ПД широко используются также термины "фаза деполяризации" или "передний фронт". -Прим. перев.

144 :: 145 :: 146 :: 147 :: 148 :: Содержание

148 :: 149 :: 150 :: Содержание

5.6.3. Натриевые каналы

Целый ряд данных свидетельствует о том, что при возбуждении мембраны ионы натрия проходят через специальные каналы, избирательно проницаемые для этих ионов (табл. 5-1), причем число каналов ограничено. Натриевые каналы активируются (т.е. открываются и пропускают ионы) в ответ на деполяризацию, при этом они проявляют высоко избирательную проницаемость для Li+ и Na+ по сравнению с другими ионами (рис. 5-25). Такое свойство обусловлено особой структурой каналов, благодаря которой они играют роль избирательных (селективных) фильтров. Поскольку в норме ионы лития в организме практически отсутствуют, весь ток, проходящий через эти каналы, переносится ионами Na + ; ионы же Са2+ и К+ через них почти не проходят.

Процессы, приводящие к открыванию или закрыванию каналов (например, натриевого канала при деполяризации мембраны), называются воротными. Детальный механизм этих процессов пока неизвестен. По-видимому, в покое натриевый канал механически перекрыт некой заряженной структурой (рис. 5- 26,A). При деполяризации мембраны конформация этой структуры изменяется и канал открывается (рис. 5-26,Б). Главный аргумент в пользу того, что в мембране действительно происходят подобные механические конформационные перестройки,-это обнаружение так называемых воротных токов, возникающих при открывании и закрывании натриевых каналов. Эти очень слабые токи можно зарегистрировать, если активировать натриевые каналы, предварительно заблокировав их с помощью фармакологических препаратов с тем, чтобы через них не мог протекать гораздо более мощный ионный ток. Полагают, что воротные токи связаны с перемещением заряженных группировок, приводящим к открыванию активационных ворот (га-ворот) при активации каналов. В некоторых клетках обнаружены аналогичные воротные токи калиевых и кальциевых каналов.

Рис. 5.25.

Относительная проницаемость натриевого канала аксона кальмара для ионов Na+ и других ионов, способных проходить через этот канал; коэффициент проницаемости

для Nа+ принят за 1. (Нillе, 1985.)

Здесь может возникнуть вопрос: каким же образом деполяризация мембраны приводит к открыванию электроуправляемых каналов (например, натриевых)? Представим себе типичную возбудимую клетку в состоянии покоя. Ее мембранный потенциал составляет -75 мВ. Деполяризация на 50 мВ (т. е. до - 25 мВ) обычно приводит к активации большей части натриевых каналов, расположенных в мембране. Эти каналы представляют собой молекулы белка, вкрапленные в мембранный липидный бислой толщиной порядка 5 нм. Значит, при деполяризации на 50 мВ в этом бислое (а следовательно, и в расположенных

в нем воротных белках) возникает изменение напряжения 10-3 В на 10-8 см, т.е. 100000 В/см. Неудивительно, что заряженные группировки белков-каналов "чувствуют" такие изменения и отвечают на них конформационными перестройками каких-то участков белковых молекул. Считают, что эти конформационные перестройки и лежат в основе воротных процессов, управляющих электровозбудимыми каналами.

При длительной деполяризации натриевые каналы инактивируются. Инактивация развивается в мембране автоматически, и степень ее зависит от мембранного потенциала и времени. Постоянная времени инактивации1 составляет менее 2 мс (рис. 5-24,B). Инактивацию можно подавить, введя в

цитоплазму протеолитические ферменты. Это позволяет думать, что в инактивации принимает участие некая белковая структура, расположенная у внутреннего входа натриевого канала - инактивационных ворот (h-ворот). h- Ворота закрываются через несколько миллисекунд после открывания т-ворот. По-видимому, закрывание h-ворот как-то зависит от пребывания m-ворот в открытом состоянии.

Тетродотоксин (ТТХ)-вещество, выделенное из внутренних органов иглобрюха (рыбы, обитающей у берегов Японии), способен внедряться в натриевые каналы и блокировать их (рис. 5-27). Опыты, проведенные на различных видах нервов, показали, что

148

Рис. 5.26.

Основные состояния натриевых каналов, А. В покое (мембрана не деполяризована)

канал не пропускает ионы Na+, поскольку закрыты т-ворота. Б. При деполяризации

т-ворота открываются, и канал активируется (т.е. начинает пропускать ионы Na +). Из-за этого т-ворота называют также активационными. В открытом состоянии проводимость канала в значительной степени определяется его селективным

фильтром, который не пропускает анионы и гораздо более охотно пропускает Na +,

чем К+ или Са2+. Б. При более длительной деполяризации закрываются h-ворота ( инактивационные ворота), расположенные у внутренней стороны мембраны, и канал инактивируется. Реполяризация до уровня потенциала покоя вновь приводит к открыванию h-eopom и закрыванию т-ворот; в этом состоянии канал вновь можно активировать деполяризующим стимулом.

натриевые каналы на участке мембраны аксона площадью 1 мкм2 связывают менее 100 молекул ТТХ. При этом полностью подавляется увеличение натриевой проводимости, возникающее в норме при деполяризации (табл. 5-1). Кинетические особенности блокирования каналов свидетельствуют о том, что каждая молекула ТТХ связывается с одним натриевым каналом. Значит, число каналов на 1 мкм2 мембраны составляет менее 100. Если бы все эти каналы открывались одновременно, то площадь их сечения должна была бы составлять менее 1/50000 от поверхности мембраны, если считать, что диаметр канала составляет порядка 0,5 нм (рис. 5-27,Б). То, что на долю канала приходится столь малая часть поверхности мембраны, вполне согласуется с моделями клеточных оболочек Даниелли и Сингера (разд. 4,2.1). Согласно этим моделям, низкая проницаемость мембраны для полярных молекул обусловлена тем, что большую ее часть занимает сплошной липидный бислой. Чрезвычайно малая площадь канала объясняет также и то, почему при тех значительных изменениях проводимости, которые наблюдаются при возбуждении мембран, не происходит каких-либо существенных изменений емкости мембраны.

В 1980 г. Фредерик Сигворс и Эрвин Неер с помощью так называемого метода локальной фиксации (patch-clamp) (рис. 5-28,4) смогли зарегистрировать ток через одиночный натриевый канал, активированный с помощью деполяризации. Для этого они использовали микропипетку диаметром 0,5 мкм, в кончик которой втягивали участок мембраны для создания тесного контакта между пипеткой и мембраной. Оказалось, что токи через одиночные каналы подчиняются закону "все или ничего", имеют прямоугольную форму (это свидетельствует об очень быстром открывании и закрывании каналов) и одинаковы по величине для разных каналов (рис. 5-28,5). При этом длительность пребывания каналов в открытом состоянии варьирует случайным образом и довольно широко. Среднее время нахождения канала в открытом состоянии составляет менее 1 мс и зависит от мембранного потенциала; при смещении

149

1То есть, в течение которого проводимость снижается в е раз.-Прим. перев.

148 :: 149 :: 150 :: Содержание

150 :: 151 :: 152 :: Содержание

5.6.4. Цикл Ходжкина

Резко изменяя мембранный потенциал гигантского аксона кальмара до разного уровня, Ходжкин и Хаксли обнаружили, что максимальная амплитуда раннего входящего тока, активируемого деполяризацией, зависит от величины этой деполяризации (т. е. от Vм). При умеренном увеличении амплитуды потенциала деполяризующих импульсов наблюдалось возрастание силы тока (рис. 5-29,A). С помощью этой методики Ходжкин и Хаксли установили, что число натриевых каналов, активирующихся при деполяризации, при увеличении степени деполяризации возрастает по сигмоидному закону. Когда величина деполяризующего импульса достигает 100 мВ при исходном потенциале -70 мВ, зависимость натриевой проводимости от деполяризации выходит на плато. Следовательно, при мембранном потенциале около + 30 мВ имеет место максимальная активация натриевых каналов, которая длится примерно 1-2 мс.

Увеличение натриевой проводимости, обусловленное активацией натриевых каналов при деполяризации, лежит в основе тех самоусиливающихся процессов, из-за которых ПД подчиняется закону "все или ничего". Если мембране дать возможность свободно, т.е. без фиксации потенциала, ответить на деполяризующий стимул (см., например, рис.

150

5-15), то сначала произойдет открывание лишь нескольких натриевых каналов. Через них некоторое количество ионов Na + войдет в клетку. Поскольку эти ионы заряжены положительно, клетка деполяризуется еще больше. В свою очередь эта дополнительная деполяризация приведет к дальнейшему возрастанию натриевой проводимости (т. е. активации натриевых каналов), и в клетку войдет еще больше ионов Na+. Такой "замкнутый круг", связывающий мембранный потенциал и натриевую проводимость, называется циклом Ходжкина (рис. 5-30).

Это типичный пример положительной обратной связи (дополнение 1-1). В живых системах положительная обратная связь встречается реже, чем отрицательная, поскольку она всегда приводит к "взрывным", нестабильным процессам. Если говорить о потенциале действия, то эффекты, связанные с положительной обратной связью, ограничиваются как зависящей от времени инактивацией натриевых каналов, так и тем, что при развитии ПД мембранный потенциал приближается к ENa и движущая сила, обеспечивающая переход ионов натрия внутрь

Рис. 5.29.

А. Временное изменение натриевой проводимости при подаче деполяризующих импульсов разной величины (высота импульсов в милливольтах указана над кривыми). (Hodgkin, 1958.) Б. Зависимость максимальной величины gNa от степени

деполяризации. Ноль соответствует исходному фиксированному потенциалу (около -70 мВ). Эта экспериментальная кривая сходна с расчетной кривой В в дополнении 5-4. (Hodgkin, Huxley, 1952b.) (На рисунке опечатка: вместо См должно быть мСм.)

Рис. 5.30. Цикл Ходжкина. В норме этот цикл запускается частичной деполяризацией мембраны под действием либо постсинаптического потенциала, либо какого-либо другого потенциала, не связанного с работой натриевых каналов. Это приводит к появлению положительной обратной связи, которая и обусловливает регенеративный характер переднего фронта ПД. Пунктиром показано, на какой стадии с помощью метода фиксации потенциала прерывается эта положительная обратная связь.

клетки (Vм - ENa), при этом уменьшается. В то же время именно "взрывной" характер процессов, участвующих в цикле Ходжкина и связанных подожительной обратной связью, в значительной мере обусловливает высокую скорость нарастания потенциала действия.

Здесь может возникнуть некоторое недоразумение. Выше мы говорили о том, что деполяризация наступает, когда ток от микроэлектрода выходит через мембрану из клетки (см. рис. 5-15). Теперь же оказалось, что при возбуждении клетка деполяризуется под действием тока, входящего через открытые натриевые каналы. Важно понимать, что в обоих случаях деполяризация связана с накоплением в клетке положительных зарядов. При возбуждении носителем этих зарядов являются ионы Na+ , попадающие в клетку через натриевые каналы, а когда речь идет о внутриклеточных микроэлектродах, заряды входят в клетку,

когда с помощью этого электрода создается положительный ток (обусловленный, как правило, ионами К+).

152

150 :: 151 :: 152 :: Содержание

152 :: 153 :: Содержание

5.6.5. Калиевый ток

Как мы теперь знаем, фаза деполяризации ПД обусловлена самоусиливающимся увеличением натриевой проводимости. Остается понять, каким образом после пика потенциала действия мембранный потенциал возвращается к уровню покоя. Ходжкин и Хаксли предположили, что задержанный выходящий ток (см. рис. 5-24) связан с выходом положительных зарядов, в результате которого и происходит уменьшение мембранного потенциала от пика ПД до уровня покоя. На рис. 5-31 приведена кривая зависимости задержанного тока от мембранного потенциала, полученная путем скачкообразного смещения этого потенциала и достаточно длительной фиксации его на разном уровне. Видно, что, когда мембранный потенциал смещается в положительную сторону, наклон этой кривой (т.е. проводимость мембраны) увеличивается. Это проявляется также в том, что через несколько миллисекунд после изменения потенциала (т. е. по достижении стационарного состояния) мембрана легче пропускает выходящий ток, чем входящий. Это свойство называется выпрямлением.

Было бы естественно предположить, что задержанный выходящий ток, вызванный деполяризацией, переносится ионами калия. Дело в том, что, по мере того как внутриклеточный потенциал становится все более положительным по сравнению с Ек, ЭДС, действующая на ионы К +, возрастает [см. уравнение (5- 10)]. Иными словами, когда мембранный потенциал сдвигается в положительную сторону, стремление ионов К+ покинуть клетку и вывести положительные заряды усиливается. Во время пика

152

Рис. 5.31. Зависимость задержанного выходящего тока от

мембранного потенциала (вольт-амперная характеристика). Эта характеристика была получена тем же методом, что и кривая Б в дополнении 5-4, однако в данном случае, как показано на врезке, измерялся не входящий, а выходящий ток. Видно, что через некоторое время после деполяризации мембрана легче пропускает выходящий ток, чем входящий. Это связано с тем, что часть калиевых каналов открывается только после деполяризации.

ПД положительный внутриклеточный потенциал, "выталкивающий" ионы К+ из клетки, достигает максимума. Кроме того, выход К+ мог бы усиливаться и в результате повышения калиевой проводимости, о чем свидетельствует появление выходящего тока с некоторой задержкой после деполяризации (см.

рис. 5-24).

Для проверки гипотезы о том, что выходящий ток переносится ионами К+, Ходжкин и Хаксли в 1953 г., используя радиоактивный калий, изучали перемещение ионов К+ через мембрану под действием постоянного тока. Оказалось, что пропускание входящего (гиперполяризующего) тока сопровождалось небольшим выходом калия, а выходящий (деполяризующий) ток приводил к большому выходу калия. Более того, количественно выход калия соответствовал числу зарядов, переносимых выходящим током (рис. 5-32). Это говорило о том, что носителями выходящего тока являются ионы К+. Сегодня известно, что задержка увеличения мембранной проводимости для этих ионов в ответ на деполяризацию связана с тем, что деполяризация вызывает задержанную активацию каналов, избирательно пропускающих калий (см. табл. 5-1). Поскольку эти каналы открываются только при деполяризации мембраны, их срабатыванием вполне можно объяснить выпрямляющие свойства трансмембранного калиевого тока. Как мы уже говорили, задержка в возникновении выходящего тока в ответ на деполяризацию связана с относительно медленным открыванием калиевых каналов; натриевые каналы реагируют на деполяризацию значительно быстрее. Есть и другое различие между этими двумя каналами: натриевые каналы при деполяризации сначала открываются, а затем быстро закрываются (инактивация), в калиевых же каналах инактивация не происходит. В то же время эти каналы закрываются после того, как мембрана реполяризуется до уровня потенциала покоя. Поэтому если входящий ток, связанный с работой натриевых каналов, вызывает быструю регенеративную деполяризацию (цикл Ходжкина), то выходящий ток, обусловленный срабатыванием калиевых каналов, напротив, стремится реполяризовать мембрану. В свою очередь при реполяризации калиевые каналы закрываются.

Задержанное увеличение калиевой проницаемости можно подавить с помощью некоторых агентов. Так, местные анестетики прокаин и ксилокаин ингибируют как калиевую, так и натриевую активацию и тем самым блокируют передачу импульсов по нервам. Ионы тетраэтиламмония (ТЭА), введенные в

аксон кальмара, ингибируют только калиевую активацию (см. табл. 5.1), что приводит к более медленному развитию реполяризации и удлинению ПД.

Рис. 5.32.

График зависимости количества выходящего из клетки радиоактивного изотопа К + от мембранного тока, полученный в условиях постоянной электрической деполяризации аксона кальмара. Линейный характер зависимости служит веским

доказательством того, что выходящий ток переносится ионами К+. (Hodgkin, 1958.)

153

152 :: 153 :: Содержание

активироваться (т.е. открываться) при деполяризации. Видно, что увеличение калиевой проводимости и снижение h длятся гораздо дольше, чем увеличение натриевой проводимости. (Hodgkin, Huxley, 1952с.)

4.По мере того как мембранный потенциал приближается к ENa, ЭДС,

действующая на ионы Na+ (Vм - ENa), все более снижается. Вследствие этого скорость изменения потенциала начинает уменьшаться (точка в)-и так до тех пор, пока овершут не достигнет максимального значения, ненамного отличающегося от ENa (точка г). В максимуме ПД мембранный потенциал примерно на 120 мВ более положителен, чем потенциал покоя. Таким образом, в результате регенеративной деполяризации мембраны первичная пассивная деполяризация до порогового уровня (примерно на 20 мВ), вызванная электрическим стимулом, усиливается в 5-6 раз.

5.Начинается инактивация (закрывание) открывшихся натриевых каналов. Одного этого было бы достаточно для постепенного спада ПД и восстановления потенциала покоя, однако реполяризация ускоряется благодаря задержанному открыванию потенциалзависимых калиевых каналов (см. ниже).

6.Начинают открываться калиевые каналы, и, поскольку на ионы К+ действует ЭДС (Vм - Eк), небольшое количество ионов К+ быстро выходит из клетки1. Вместе с ними из клетки удаляются положительные заряды, и благодаря этому мембрана быстро реполяризуется до уровня покоя (точки

г-д).

По окончании реполяризации число вышедших из клетки ионов калия оказывается равным числу вошедших в нее ионов натрия, так что потенциал мембраны возвращается к уровню покоя. Инактивация натриевых каналов и высокая калиевая проводимость сохраняются после завершения потенциала действия в течение нескольких миллисекунд, и это обусловливает снижение возбудимости мембраны, характерное для периодов абсолютной и относительной рефрактерности. Во время периода абсолютной рефрактерности числа активируемых натриевых каналов недостаточно для того, чтобы входящий натриевый ток компенсировал выход К+.

154

Во время же относительной рефрактерности деполяризующий сигнал достаточно большой амплитуды может активировать такое число натриевых каналов, чтобы, несмотря на множество открытых калиевых каналов, возник ПД. Однако вследствие высокой калиевой проводимости и значительной остаточной натриевой инактивации мембранный потенциал в точке максимума ПД не будет уже столь близок к ENa, и поэтому овершут будет меньше.

Натриевой инактивацией и калиевой активацией можно также объяснить повышение порога при подпороговой деполяризации, т. е. явление аккомодации (см. рис. 5-17). Разные мембраны обладают неодинаковой степенью аккомодации, и связано это с тем, что натриевая инактивация и калиевая активация характеризуются разной количественной зависимостью от времени и

потенциала.

155

1Следует помнить, что в покое в мембране уже имеется большое число открытых калиевых каналов, а при деполяризации это число увеличивается.- Прим. перев.

154 :: 155 :: Содержание

155 :: Содержание

5.6.7. Изменение концентрации ионов во время возбуждения

Важно отметить, что то количество ионов, которое, проходя через мембрану, обусловливает изменения мембранного потенциала в ходе ПД, при одиночном импульсе чрезвычайно мало и практически не вызывает изменений внутриклеточной концентрации разных ионов; исключение могут составлять лишь мельчайшие нервные клетки или аксоны.

Обычно емкость мембраны составляет 1 мкФ/см2; это означает, что для возникновения ПД величиной 100 мВ через каждый квадратный сантиметр мембраны в клетку должно переместиться примерно 10-12 молей Na+ (см. дополнение 5-1). В пересчете на квадратный микрон это составляет лишь 160 ионов натрия. Однако вход натрия частично компенсируется одновременным выходом К+, поэтому на самом деле во время каждого ПД в клетку должно переместиться примерно 500 ионов натрия на 1 мкм2. Отсюда следует, что при одном ПД содержание Na+ внутри гигантского аксона кальмара диаметром 1 мм изменяется менее чем на 1/100000. Поэтому если натриевый насос такого аксона вывести из строя каким-либо метаболическим ядом, то он еще сможет генерировать несколько тысяч импульсов. Разумеется, однако, что в конечном счете концентрации, а следовательно, и равновесные потенциалы Na+ и К+ в такой клетке будут существенно сдвинуты.

Известно, что при уменьшении диаметра цилиндра отношение площади его поверхности к объему увеличивается. Именно поэтому в аксонах малого диаметра даже при одиночном ПД концентрации ионов в аксоплазме изменяются довольно существенно. Так, в С-волокнах млекопитающих (диаметром ~ 10-3 мм) после одиночного импульса концентрации Na + и К+ изменяются примерно на 1%. Это приводит к снижению потенциала покоя примерно на 0,3 мВ, а при прохождении подряд 10ПД-на 2 мВ. Значит, очень важно, чтобы концентрации Na+ и К+ в аксоплазме аксонов малого диаметра достаточно быстро восстанавливались с помощью активного транспорта, иначе изменения ионных концентраций будут суммироваться и приведут к значительному изменению концентрационных градиентов.

Здесь важно понять, что активный транспорт ионов через мембрану, осуществляемый за счет энергии обменных процессов, не отвечает непосредственно за фазы деполяризации и реполяризации ПД, но необходим для поддержания ионных концентрационных градиентов, которые ответственны за возникновение мембранных токов.

155

155 :: Содержание

155 :: 156 :: 157 :: 158 :: Содержание

5.7. Другие электровозбудимые каналы

С тех пор как Ходжкин и Хаксли выдвинули свою ионную гипотезу возбуждения, согласно которой в аксоне кальмара существуют каналы, избирательно пропускающие натрий и калий, стало ясно, что практически во всех клетках имеются и другие типы каналов. Так, во многих возбудимых клетках обнаружено несколько разновидностей электроуправляе-мых каналов, избирательно проницаемых для кальция. Эти кальциевые каналы (см. табл. 5-1) во многих отношениях более важны для функционирования клеток, чем натриевые. Последние выполняют в основном следующие функции: 1) обеспечивают проведение импульсов; 2) участвуют в деполяризации мембраны и тем самым - в активации кальциевых каналов. Что же касается кальциевых каналов, то они полностью или частично обусловливают регенеративный деполяризующий ток в мышечных волокнах ракообразных, в гладкомышечных клетках, в телах, дендритах и синаптических окончаниях многих нервных клеток, в эмбриональных клетках и у таких инфузорий, как Paramecium ( и это всего лишь несколько примеров клеток с такими каналами). В большинстве подобных мембран носителями входящего тока являются и Са 2+, и Na+, и лишь в нескольких случаях - исключительно Са2+ . Как правило, кальциевый ток недостаточно велик для того, чтобы без участия натриевого тока мог возникнуть регенеративный ПД. Поэтому в большинстве мембран с кальциевым током передний фронт ПД создается преимущественно мощным натриевым током, который прежде всего обеспечивает быструю деполяризацию мембраны. Эта деполяризация активирует кальциевые каналы, открывающиеся более медленно и не в столь большом количестве. Входящий по этим каналам кальций часто играет роль посредника (гл. 9), например инициирует высвобождение медиаторов из синаптических окончаний (разд. 6.6). Характерно, что в

155

большинстве аксонов кальциевого тока нет, и входящий ток обеспечивается срабатыванием исключительно более быстрых натриевых каналов, работающих в импульсном режиме. Эти каналы в данном случае обеспечивают только быструю "импульсную" передачу потенциалов действия по аксонам. В ходе эмбрионального развития прежде всего появляются именно кальциевые каналы, а натриевые начинают работать на более поздних стадиях. Этот факт, а также преобладание кальциевых каналов у более низкоорганизованных существ типа простейших говорят о том, что в процессе эволюции натриевые каналы могли появиться позже и специально для проведения импульсов; кальциевые же каналы, регулирующие во многих клетках вход "посредника"-ионов Са 2+,- очевидно, более древние.

Большинство разновидностей кальциевых каналов существенно отличаются от натриевых тем, что у них не наступает полная инактивация (т. е. они не закрываются) даже при длительной деполяризации. Однако имеются кальциевые

каналы, у которых вероятность инактивации возрастает при повышении внутриклеточного содержания свободного Са 2+ . Значит, при длительной деполяризации кальциевый ток частично подавляется из-за того, что содержание Са2+ у внутренней поверхности мембраны возрастает. Однако в клетке существуют своего рода "кальциевые буферы"-кальцийсвязы-вающие белки цитоплазмы (разд. 9.4); входящий кальций связывается с ними, и повышение его концентрации у мембраны становится гораздо менее существенным. Поэтому при длительной деполяризации Са2+ -ток может долго сохраняться на низком, но постоянном уровне (рис. 5-34), тогда как натриевый ток при такой деполяризации быстро и полностью подавляется (см. рис. 5-24). Постоянный кальциевый ток играет важную роль в функционировании сердечной мышцы (разд. 10.9). В большинстве случаев кальциевые каналы блокируются некоторыми двух- и трехвалентными катионами, в частности Со 2+ , Cd2+, Mn2+, Ni2+ и La3+ (см. табл. 5-1). Эти ионы конкурируют с Са2+ за анионные участки связывания в кальциевых каналах, через которые сами они не проходят. Напротив, ионы Sr2+ и Ва2+, также конкурируя с кальцием, могут столь же хорошо, как и он (или еще лучше), проходить через эти каналы. Для примера можно привести высокоамплитудные регенеративные потенциалы действия, возникающие у Paramecium в растворе, содержащем барий (рис. 5-35,Б, слева), и гораздо более слабые градуальные ответы, обусловленные исключительно входом Са2+ (рис. 5-35,A слева).

Во многих тканях найдены особые калиевые каналы, активируемые деполяризацией мембраны при условии повышенной внутриклеточной концентрации Са2+ (табл. 5-1). Это означает, что, когда ионы Са 2+ входят в клетку по кальциевым каналам и скапливаются у внутренней поверхности мембраны, они способствуют активации кальцийзависимых калиевых каналов в ответ на деполяризацию (рис. 5-36). Тем самым вход Са 2+ усиливает выход положительно заряженных ионов К+ из клетки и благодаря этому ускоряет реполяризацию. В некоторых нервных клетках активация ионами Са2+ кальцийзависимых калиевых каналов приводит к медленной гиперполяризации мембраны, при которой мембранный потенциал приближается к равновесному

Рис. 5.34. Постоянный кальциевый ток в нейроне улитки. А.

Входящий ток (отклонение кривой вниз), возникающий в ответ на длительную (0,5 с) деполяризацию разной амплитуды (она указана слева). Начало и конец деполяризующего стимула обозначены стрелками. Длительность разрыва записи составляет 250 мс. Б. График зависимости позднего тока от мембранного потенциала; ток измеряли через 200 мс после подачи постоянного деполяризующего импульса (интересно сравнить эту кривую с той, которая приведена на рис. Б в дополнении 5-4). Видно, что, когда мембранный потенциал лежит в диапазоне от -45 до -28 мВ, наблюдается небольшой кальциевый входящий ток. При более положительных значениях потенциала этот ток уже не регистрируется, поскольку на него накладывается более мощный выходящий калиевый ток. (Eckert, Lux, 1976.)

156

Рис. 5.35.

Поведение электровозбудимой мембраны инфузории Paramecium дикого типа (слева) и невозбудимой мембраны мутантной инфузории с нарушенной деятельностью кальциевых каналов (справа). А. В растворе, содержащем 1 мМ СаС12, у инфузории дикого типа в ответ на деполяризующий ток возникают

градуальные кальциевые потенциалы, а у мутантной - лишь электротонические ответы. Б. После добавления в раствор ВаС12 до концентрации 4 мМ у инфузорий

дикого типа возникают мощные "бариевые" ПД, подчиняющиеся принципу "все или ничего"; эти ПД обусловлены током ионов Ва 2+ через кальциевые каналы. У

Рис. 5.37.

Предполагаемая последовательность событий, приводящих к появлению пейсмекерных потенциалов в спонтанно "взрывных" нейронах моллюсков. Во время

медленной деполяризации происходит увеличение gCa и появляется входящий Са2+

-ток. По мере повышения концентрации [Са2+] постепенно увеличивается Са2+- зависимая калиевая проводимость gK(Ca)- При этом мембранный потенциал

начинает смещаться к Ек, мембрана реполяризуется и кальциевая проводимость вновь снижается. Поскольку цитоплазма может играть роль кальциевого буфера, [Сa2+]i постепенно уменьшается, gK(Ca)- снижается и мембранный потенциал снова становится более отрицательным, чем Ек, т. е. мембрана деполяризуется. Это приводит к увеличению gCa и к запуску нового цикла. Когда амплитуда таких

медленных деполяризующих пейсмекерных потенциалов превышает критический уровень, на их гребне возникают разряды ПД. Для простоты на данном рисунке первый пейсмекерный потенциал изображен без потенциалов действия.

158

155 :: 156 :: 157 :: 158 :: Содержание

мембраны и удаление этих ионов требуется определенное время, и именно этим определяются те периодические процессы, которые лежат в основе колебаний деполяризации и реполя-ризации.

Дополнение 5-1. Разделение зарядов по разные стороны мембраны

Для того чтобы мембранный потенциал стал равным Eк, через каждый квадратный сантиметр мембраны (см. рис. 5-11) должно продиффундировать лишь очень небольшое число ионов. Для системы, в которой через мембрану проходит только один какой-либо ион, найти это число не составляет труда. Избыточное количество ионов калия, накапливающихся в отсеке II (а также соответственно избыточное количество ионов хлора, остающихся в отсеке I), зависит от: 1) равновесного калиевого потенциала; 2) емкости мембраны. Электрический заряд Q (в кулонах), накапливающийся на обкладках конденсатора, пропорционален емкости конденсатора С (в фарадах) и напряжению на его обкладках V (в вольтах). Емкость биологических мембран обычно составляет порядка 1 мкФ (10-6 Ф) на 1 см2. Отсюда можно найти общий заряд ионов, диффундирующих через каждый квадратный сантиметр мембраны в том случае, если эта мембрана разделяет два раствора диффундирующего одновалентного катиона, причем концентрация одного раствора в 10 раз больше, чем другого (при этом равновесная разность потенциалов составляет 58 мВ):

Один грамм-эквивалент (или 1 моль) моновалентного иона несет электрический заряд F = 96 500 Кл. Значит, количество К+ (в молях), необходимое для переноса через 1 см 2 мембраны заряда в 5,8 × 10-8 Кл, можно рассчитать, разделив этот заряд на F:

Для того чтобы определить, какое количество ионов калия накапливается в отсеке II (см. рис. 5-11), надо умножить полученную величину на число Авогадро (6·1023 молекула-моль-1):

Такое же количество ионов хлора останется в избытке в отсеке I. Это более чем в 10 миллионов раз меньше, чем число ионов калия в 1 см3 раствора II (6·1018 иона). Значит, разделение зарядов по разные стороны мембраны практически не влияет на концентрацию растворов I и II. Поэтому, даже несмотря на то что мембрана в какой-то степени отделяет катионы от анионов, такое разделение существует лишь на микроскопическом уровне, соизмеримом с толщиной клеточных оболочек (см. рис. 5-6). В макроскопических же масштабах правило электронейтральности, согласно которому число

Это и есть уравнение Нернста в общем виде.

Дополнение 5-3. Метод фиксации потенциала

Для изучения потенциалзависимых мембранных каналов оказался очень полезным метод фиксации потенциала. Он заключается в том, что разность потенциалов по разные стороны мембраны фиксируют на определенном уровне с помощью электронной системы с обратной связью. При этом мембранный потенциал можно ступенчато изменять на строго определенную величину. Такой метод позволяет измерять ионные токи, протекающие сквозь мембрану через каналы, которые активируются при изменении потенциала. В соответствии с законом Ома (дополнение 2-1), если напряжение на мембране постоянно, изменения тока однозначно связаны с изменениями проводимости. В свою очередь изменения мембранной проводимости связаны с открыванием и закрыванием ионных каналов. Таким образом, мы можем фиксировать мембранный потенциал на разном уровне и измерять возникающие при этом токи. Если же вдобавок использовать растворы с различным ионным составом и препараты, избирательно блокирующие тот или иной канал, то можно будет изучать поведение различных ионных каналов, через которые протекают измеряемые нами токи.

Технически фиксация потенциала осуществляется следующим образом. При помощи усилителя-регулятора внутриклеточный потенциал сравнивают с управляющим потенциалом (см. рисунок). Любое отклонение мембранного потенциала от управляющего усиливается, и на выходе усилителя возникает управляющий ток. Этот ток течет через электроды, расположенные по разные стороны мембраны, в таком направлении, что мембранный потенциал вновь становится равным управляющему. Такое автоматическое согласование происходит за долю миллисекунды после того, как задается ступенчатый управляющий потенциал. Когда в ответ на такую ступенчатую деполяризацию открываются натриевые (или какие-либо другие) каналы, соответствующие ионы входят в аксон по электрохимическому градиенту и переносят с собой электрические заряды. Эти входящие заряды стремятся сдвинуть мембранный потенциал в положительном направлении, однако малейшее отклонение от управляющего потенциала немедленно компенсируется в результате удаления из клетки избыточных зарядов

Схема фиксации напряжения

в опытах на аксоне кальмара. С помощью усилителя-регулятора сравнивается мембранный потенциал Vм с управляющим потенциалом. Если на выходе усилителя

появляется ненулевая разность потенциалов, к клетке подводится ток, под действием которого Vм вновь становится равным управляющему потенциалу. Этот

ток Iм зависит от изменений ионной проницаемости мембраны.

160

с помощью усилителя-регулятора. При этом записывается тот ток, который подается усилителем для поддержания мембранного потенциала на необходимом уровне, и этот ток, разумеется, в точности равен ионному току, протекающему через мембрану.

Дополнение 5-4. Вольт-амперные характеристики

Если построить график зависимости натриевого тока (на рис. А это INa) от напряжения стимула, то мы получим так называемую вольт-амперную характеристику (рис. Б), типичную для регенеративных токов электровозбудимых мембран. Чтобы построить такую характеристику, на мембрану подают ступеньки напряжения, в результате чего потенциал каждый раз скачкообразно изменяется от исходного значения ( Vп) до нового уровня (Vм). При этом измеряют амплитуду тока, возникающего при каждом таком сдвиге потенциала, а затем строят график зависимости этой амплитуды от Vм.

При отрицательных сдвигах потенциала и небольших положительных сдвигах вольт-амперная характеристика представляет собой прямую, совпадающую с осью ординат (рис. Б): при этих значениях потенциала натриевые каналы не активируются. При более положительных значениях потенциала на вольт-амперной характеристике появляется нисходящая

(отрицательная) ветвь; это означает, что сдвиг потенциала в положительную сторону приводит к увеличению входящего тока.

Отрицательное колено на вольт-амперной характеристике для натриевого тока (рис. Б) обусловлено открыванием все новых натриевых каналов при увеличении степени деполяризации. Такое поведение натриевых каналов иллюстрирует рис. В, где приведена характерная S-образная кривая зависимости натриевой проводимости от мембранного потенциала. При таком потенциале, когда активация каналов достигает максимума, натриевый ток, входящий в клетку, также становится наибольшим (на рис. Б-точка минимума кривой). При еще более положительных потенциалах натриевый ток начинает снижаться, поскольку при увеличении степени деполяризации линейно уменьшается действующая на ионы Na+ ЭДС (т.е. Vм-ENa), а новые каналы уже не открываются. Когда Vм становитя равным ENa, натриевый ток прекращается, а вольт-амперная характеристика пересекается с осью ординат.

161

158 :: 159 :: 160 :: 161 :: Содержание

162 :: Содержание

5.9. Резюме

Электрические свойства клеточных мембран тесно связаны с молекулярной структурой этих мембран. Липидный бислой обладает емкостными свойствами: через него не могут свободно проходить ионы, и в то же время он достаточно тонок (~ 5 нм), чтобы по разные его стороны благодаря электростатическому взаимодействию между катионами и анионами могли накапливаться заряды. Липидный бислой пронизан каналами, образуемыми белковыми молекулами. Эти каналы ответственны за электропроводимость мембраны, поскольку по ним через мембрану могут проходить некоторые неорганические ионы. Каналы обладают избирательной проницаемостью по отношению к тем или иным ионам. Перемещаясь по каналам, ионы порождают электрический ток. Эти два свойства электровозбудимых мембран-емкость и проводимость (величина, обратная сопротивлению) - определяют временные характеристики изменений напряжения, связанных с потоком ионов через мембраны.

Асимметричное распределение ионов по разные стороны мембраны может приводить к возникновению трансмембранного электрического потенциала. Этот потенциал зависит от относительной проницаемости мембраны для ионов, присутствующих в клетке и внеклеточной среде. Если мембрана проницаема только для одного какого-либо иона, то по разные стороны ее возникнет разность потенциалов, пропорциональная логарифму отношения концентраций этого иона вне и внутри клетки. Эта разность потенциалов связана с тем, что ионы, диффундирующие через мембрану, переносят заряд. После установления так называемого равновесного потенциала, зависящего от отношения концентраций иона по разные стороны мембраны, диффузионная и электростатическая силы, действующие на этот ион, будут равны и направлены противоположно друг другу. Если мембрана проницаема более чем для одного иона (а именно так чаще всего и бывает в биологических системах), то в мембранный потенциал будут вносить свой вклад диффузионные потенциалы всех проникающих ионов. В покое клеточные мембраны наиболее проницаемы для К+ и Сl-, поэтому потенциал покоя близок к равновесным потенциалам этих ионов; обычно концентрационные градиенты К+ и Сl- равны друг другу, но направлены противоположно. Поскольку же содержание свободных ионов К + внутри клетки обычно в 10-60 раз выше, чем снаружи, потенциал покоя (т. е. внутриклеточный потенциал относительно внеклеточного) может достигать - 100 мВ.

Благодаря активному транспорту Na+ и Са2+ содержание этих ионов в цитоплазме меньше, чем во внеклеточной среде. Из-за этого они постоянно стремятся проникнуть в клетку, и их надо все время выкачивать обратно. В покое проницаемость мембран для этих ионов мала, но под действием тех или иных раздражителей проницаемость для одного из этих ионов может увеличиться, и он будет входить в клетку. Это приведет к уменьшению

отрицательного потенциала внутри клетки, т. е. к ее деполяризации. Так, фаза нарастания (деполяризация) потенциала действия обусловлена временным открыванием натриевых каналов. Поскольку к увеличению натриевой проницаемости приводит деполяризация мембраны, фаза нарастания нервного импульса носит регенеративный характер, и в конце ее (на пике потенциала действия) мембранный потенциал на короткое время приближается к натриевому равновесному потенциалу (50-60 мВ). Затем под действием изменении мембранного потенциала возрастает проницаемость для калия и происходит инактивация натриевых каналов. В результате этих процессов мембранный потенциал возвращается к уровню покоя, и ПД завершается.

В некоторых возбудимых мембранах входящий деполяризующий ток полностью или частично обусловлен срабатыванием кальциевых каналов. В некоторых таких клетках входящие ионы Са 2+ активируют калиевые каналы, и это ускоряет реполяриза-цию. Далее свободные ионы Са2+ удаляются из цитоплазмы, [Са2+]i возвращается к своему исходному низкому уровню, и

проницаемость для калия становится такой же, как и в покое. Повышение [Ca2+]i приводит также к закрыванию определенных кальциевых каналов, которые открываются в ответ на деполяризацию мембраны.

Спонтанные деполяризующие пейсмекерные потенциалы обусловлены взаимозависимой активацией двух или нескольких типов мембранных каналов, причем перенос ионов по каждому из этих типов каналов приводит к противоположным смещениям мембранного потенциала. Проникновение Са2+ в клетку вызывает деполяризацию мембраны, но одновременно приводит к активации калиевых каналов. Ионы К+ выходят по этим каналам из клетки, и она реполяризуется. Поскольку эти два процесса несколько разнесены по времени, мембранный потенциал в пейсмекерных клетках претерпевает спонтанные колебания.

Таким образом, электрические процессы в возбудимых мембранах зависят от пассивных свойств мембраны (емкости), концентрационных градиентов ионов по разные стороны мембраны, поддерживаемых с помощью энергии метаболических процессов, и от наличия избирательно проницаемых каналов, таких, что некоторые из них активируются при деполяризации мембраны.

162

162 :: Содержание

162 :: 163 :: Содержание

5.10. Вопросы для повторения

1.Гальвани и Вольта считали друг друга неправыми в трактовке явлений "животного электричества" (т. е. электрофизиологии). Объясните, почему на самом деле каждый из них был со своей стороны все-таки прав.

162

2.Клеточные мембраны разделяют электрические заряды, поэтому между их поверхностями создается разность потенциалов. Нарушает ли это правило электронейтральности? Обоснуйте ваше мнение.

3.Какие структуры мембран обусловливают их емкость, а какие проводимость?

4.Как связаны временные характеристики изменений трансмембранного потенциала с сопротивлением и емкостью мембраны?

5.Если направить входящий ток одной и той же величины в две клетки разного размера, имеющие одинаковые мембраны, то в маленькой клетке потенциал изменится больше, чем в большой. Почему?

6.Почему та сторона мембраны, где содержание основного проникающего катиона выше, заряжена отрицательно по отношению к другой стороне?

7.Объясните, почему в искусственной системе с мембраной, абсолютно непроницаемой для всех ионов, кроме одного, содержание этого иона по разные стороны мембраны будет всегда неодинаковым?

8.Что препятствует постепенной замене К+ на другие катионы во внутриклеточной среде живой клетки, проницаемой не только для К+, но и для других ионов?

9.Рассчитайте с помощью уравнения Нернста изменение потенциала, которое произойдет при увеличении в два раза содержания К+ во внеклеточной среде, если клетка в 100 раз более проницаема для К+, чем для какого-либо другого иона.

10.Чему равны равновесные потенциалы в следующих трех случаях: а) [К+]o = 3 мМ, [K+]i = 150 мМ; б) [Na+]o = 100 мМ, [Na+ ]i = 10 мМ; в) [Са2+]o = 10 мМ, [Ca2+]i = - 10 мМ.

11.В 1939 г. Коул и Кертис сообщили, что во время ПД проводимость мембраны увеличивается, а емкость практически не изменяется. Объясните эти факты исходя из особенностей структуры мембраны и изменений этой структуры при возбуждении.

12.Приведите две основные группы фактов, свидетельствующие о том, что входящий ток, отвечающий за фазу нарастания потенциала действия, обусловлен ионами Na+.

13.Каким образом Ходжкин и Хаксли показали, что фаза реполяризации (т.е. восстановления потенциала покоя) ПД частично обусловлена повышением калиевой проницаемости?

14.Играет ли работа натриевого насоса непосредственную роль в

возникновении ПД? Обоснуйте вашу точку зрения.

15.Какова косвенная роль натриевого насоса в возникновении ПД?

16.Объясните с позиций современной ионной гипотезы и представлений о ионных каналах следующие классические факты: а) наличие порогового потенциала; б) наличие овершута, подчиняющегося закону "все или ничего"; в) реф-рактерность; г) аккомодацию.

17.Рассчитайте, какое (примерно) количество ионов натрия должно пройти через каждый квадратный сантиметр поверхности аксона для того, чтобы возник ПД с амплитудой 100 мВ. Напомним, что 1 моль-экв заряда соответствует 96 500 Кл, емкость мембраны обычно составляет 10-6 Ф/см2, а число Авогадро равно 6,022 × 1023 молекула·моль-1.

18.Почему в волокнах большого диаметра содержание ионов после нескольких ПД практически не изменяется, а в волокнах очень малого-меняется существенно?

19.Цикл Ходжкина служит примером положительной обратной связи в биологических системах. Учитывая, что положительные обратные связи дестабилизируют процессы, как вы можете объяснить, что амплитуда переднего фронта ПД ограничена?

163

162 :: 163 :: Содержание

163 :: Содержание

ЛИТЕРАТУРА

Aidley D.J. 1978. The Physiology of Excitable Cells, 2d ed,

New York, Cambridge University Press. Bullock Т.Н., Orkand R., Grinnell A.D. 1977. Introduction to

Nervous Systems, New York, W.H. Freeman and Company. Cooke L, Lipkin M. 1972. Cellular Neurophysiology, New

York, Holt, Rinehart and Winston. Hagiwara S., Byerly L. 1981. Calcium channel, Ann. Rev.

Neurosci., 4, 69-125. Hille B. 1985. Ionic Channels of Excitable Membranes, Suhder-

land, Mass., Sinauer. Hodgkin A.L. 1964. The Conduction of the Nervous Impulse,

Springfield, 111, Thomas. Junge D. 1980. Nerve and Muscle Excitation, 2d ed., Sunder-

land, Mass., Sinauer. Kandel E. R., Schwartz J. H. 1985. Principles of Neural Science,

2d. ed., New York, Elsevier. Katz B. 1966. Nerve, Muscle and Synapse, New York,

McGraw-Hill. Keynes R.D., Aidley D.J. 1981. Nerve and Muscle, Cambridge, Cambridge University Press. Tanouye M.A., Kamb C.A., Iverson L.E., Salkoff L.

1986.

Genetics and molecular biology of ionic channels in Drosophila, Am. Rev. Neurosci., 9, 255-276.

163

163 :: Содержание

Нервные клетки различаются как по форме, так и по размерам (рис. 6-1). Их можно подразделять несколькими способами в зависимости от используемых морфологических особенностей. Один из важных критериев для такого раз деления-это наличие или отсутствие у клетки аксона (длинного нервного волокна). Знаменитый анатом Камильо Гольджи назвал нейроны с аксонами клетками типа I, а без аксонов - клетками типа II. Последние образуют связи лишь в пределах локальных нейронных контуров с непосредственно прилегающими к ним клетками.

На рис. 6-2 схематично изображен мотонейрон (двигательный нейрон) позвоночных. Тела таких нейронов лежат в спинном мозге, а отростки иннервируют волокна скелетных мышц. Это - классический нейрон типа I, специализированный для проведения возбуждения, на большие расстояния и входящий обычно в состав контуров, объединяющих отдаленные структуры (рис. 6-3). На мембране дендритов (древовидных цитоплазматических выростов мембраны) и сомы (тела) таких нейронов оканчиваются отростки других нервных клеток. По аксону

164

Рис. 6.1. Четыре морфологические разновидности нейронов. В пределах каждой разновидности в свою очередь наблюдается значительное разнообразие. Нейроны А, Б, и В относятся к нейронам типа I по Голъджи, а нейрон Г (без аксона)-к нейронам типа IL (Montagna, 1959.)

потенциалы действия (ПД) проходят от зоны генерации ПД, расположенной рядом с аксоннъш холмиком , к окончаниям, которые в нашем примере иннервируют мышечные клетки. Нейронные отростки -дендриты и аксонывырастают из сомы в процессе развития, и по ним идет медленный, но постоянный ток белков и других веществ, образующихся в теле клетки. Будучи отделенными от тела, эти отростки постепенно перерождаются и через несколько дней или недель погибают. У млекопитающих регенерация (восстановление) аксонов наблюдается только в периферических нервах; у низших же беспозвоночных регенерация и реиннервация мышц происходят довольно легко.

Функция нейрона зависит от его структуры и от свойств поверхностной мембраны. К этим свойствам в свою очередь относятся пассивные электрические характеристики - емкость и сопротивление (гл. 5), а также наличие различных ионных каналов с воротами, определяющими активное поведение мембраны. Эти ионные каналы распределены по поверхности нейрона неравномерно; они сосредоточиваются в различных его участках, выполняющих соответственно различные специализированные функции. Так, в мембране аксона встречаются преимущественно быстрые потенциалзависимые натриевые каналы, отвечающие за проведение нервных импульсов в большинстве нейронов (в частности, в нейронах типа I). В окончаниях аксона содержатся потенциалзависимые кальциевые каналы и другие специализированные структуры, отвечающие за выделение медиаторов во внеклеточную среду. Такое выделение происходит в области особых соединений - синапсов, посредством которых нейроны передают сигналы на свои клеткимишени. В мембране дендритов и сомы нервных клеток имеются каналы, активируемые теми медиаторами, которые выделяются окончаниями других нейронов. При активации этих каналов возникают постсинаптические токи; эти токи интегрируются (алгебраически суммируются), и в результате возникают постсинаптические потенциалы в дендритах, теле и аксонном холмике нейрона. Таким образом, различные отделы нейрона специализированы как с анатомической, так и функциональной точек зрения.

На долю глиальных клеток, или нейроглии, представленных различными типами клеток, приходится около половины общего объема нервной системы у позвоночных (у большинства беспозвоночных-меньше). Глиальные клетки заполняют все межнейронное пространство, за исключением очень узких (~ 20 нм) промежутков между этими клетками и мембранами нейронов.

В глиальных клетках иногда встречаются потенциалзависимые ионные каналы, однако обычно они не генерируют ПД. Таким образом, эти клетки электрически невозбудимы, и их роль в деятельности нервной системы долгое время оставалась

165

Рис. 6.2. Мотонейрон спинного мозга позвоночного. Указаны функции, выполняемые различными его частями. Направление передачи сигналов изображено цветными стрелками.

неясной. Мембраны глиальных клеток высокопроницаемы для К+, и граничащие друг с другом глиальные клетки часто электрически сопряжёны, что обеспечивает переход К+ от одной клетки к другой. Благодаря такому транспорту глиальные клетки могут снижать локально высокую концентрацию К+, которая создается в узких межклеточных промежутках, когда этот ион выходит из нейронов при возбуждении. В дальнейшем К+ медленно

Рис. 6.3. Области возникновения градуальных и импульсных электрических сигналов в нейронной цепи. Градуальные потенциалы, возникающие в чувствительных окончаниях афферентных (чувствительных, сенсорных) нервных клеток в ответ на раздражитель, приблизительно соответствуют его величине и длительности, хотя они и не бывают строго пропорциональны амплитуде раздражителя и не повторяют его конфигурацию. Эти потенциалы распространяются по телу чувствительного нейрона и вызывают в его аксоне импульсные распространяющиеся потенциалы действия. Когда потенциал действия достигает окончания нейрона, происходит выброс медиатора, приводящий к появлению градуального потенциала в следующем нейроне. Если в свою очередь этот потенциал достигает порогового уровня, в этом постсинаптическом нейроне появляется потенциал действия или серия таких потенциалов. Таким образом, в нервные цепи наблюдается чередование градуальных и импульсных потенциалов.

166

выделяется из глии и вновь захватывается нейронами. По-видимому, в этом заключается одна из функций глии по обеспечению деятельности нервных клеток. Поскольку потенциал покоя клетки частично зависит от внеклеточной концентрации К+ (см. рис. 5-13), электрическая регистрация потенциалов глиальных клеток оказалась удобным способом, позволяющим следить за изменением внеклеточной концентрации этого иона, происходящим при возбуждении нейронов. Деполяризация мембран глиальных клеток, обусловленная накоплением К+ во внеклеточной среде при возбуждении нейронов, сохраняется в течение нескольких секунд, и это указывает на удаление избыточного К+ из узких внеклеточных промежутков. Очевидно, по крайней мере отчасти калий удаляется через поверхностные мембраны как

нервных, так и глиальных клеток. "Забу-ферирование" резких подъемов содержания К+ во внеклеточной жидкости, осуществляемое многочисленными глиальными клетками, препятствует накоплению этого иона во внеклеточном пространстве. Если бы этого не было, то из-за повышения концентрации К+ во внеклеточной среде нейроны сильно деполяризовывались бы, а это нарушало бы такие функции, как генерация нервного импульса и выделение медиаторов в синапсах. Глиальные клетки не только служат "буферами калия", но также обеспечивают нейронам структурную и, возможно, метаболическую поддержку. Как мы вскоре увидим, глиальные клетки двух типов-шванновские клетки и олигодендроциты-еще и образуют вокруг аксона изолирующую оболочку.

167

164 :: 165 :: 166 :: 167 :: Содержание

167 :: Содержание

6.1.1. Два основных типа электрических сигналов в нервных клетках

Даже в "простых" нервных системах беспозвоночных, служащих излюбленным объектом изучения для нейробиологов, содержатся десятки, сотни или тысячи нейронов. Дело, однако, облегчается тем, что, несмотря на такое большое количество нервных клеток, они сообщаются друг с другом с помощью лишь двух основных типов электрических сигналов - градуальных и импульсных потенциалов, причем варианты такого сообщения весьма ограничены.

На рис. 6-3 показано, в каких участках рефлекторной дуги, отвечающей за возбуждение мотонейрона (двигательного нейрона, иннервирующего мышцу или другой эффекторный орган), в ответ на раздражитель возникают эти два типа электрических сигналов. Под действием энергии раздражителя в специализированных чувствительных окончаниях сенсорных нейронов возникает рецепторный потенциал (т. е. изменение трансмембранного потенциала). Этот потенциал градуальный - амплитуда его зависит от силы раздражителя: слабый стимул вызывает небольшой рецепторный потенциал, а сильный - более высокоамштатудный. Такие рецепторные потенциалы обычно сохраняются, лишь немного уменьшаясь, в течение всего времени действия раздражителя. Поскольку динамика и амплитуда рецепторного потенциала связаны с соответствующими характеристиками раздражителя, можно считать, что такие потенциалы представляют собой электрический аналог стимула. Рецепторные потенциалы пассивно распространяются по чувствительным окончаниям нервных клеток; при этом такой регенерации потенциалов, как при распространении ПД, не происходит, поэтому рецепторные потенциалы постепенно затухают. Следовательно, эти потенциалы, которые можно назвать

модулированными по амплитуде аналоговыми сигналами от рецепторных окончаний, не могут передавать информацию на большие расстояния. Для того чтобы такая передача сигналов между отдаленными участками центральной нервной системы (ЦНС) была возможна, рецепторные потенциалы должны превратиться в ПД-регенерирующие потенциалы, способные передаваться без затухания (т. е. без уменьшения амплитуды) на большие расстояния по аксонам нервных клеток.

Под действием импульсов, поступающих по аксону чувствительного нейрона к его центральным окончаниям, из последних выделяется медиатор. Этот медиатор вызывает изменения мембранного потенциала постсинаптического нейрона. Как количество выделяемого медиатора, так и величина постсинаптического потенциала зависят от частоты ПД, поступающих к окончаниям пресинаптического нейрона (рис. 6-3). Чем она выше, тем (в определенных пределах) быстрее и больше выделяется медиатора и тем значительнее изменяется потенциал постсинаптической мембраны. Постсинаптические потенциалы, как и рецепторные,-это своего рода

электрические аналоги (хотя уже нелинейные и существенно искаженные) исходного раздражителя. Если постсинаптический деполяризующий потенциал достаточно велик, он вызывает в постсинаптическом нейроне разряд потенциалов действия. Таким образом, в нейронных цепях градуальные местные аналоговые мембранные потенциалы обычно чередуются с импульсными и передаваемыми на большие расстояния потенциалами действия. Градуальные потенциалы возникают на мембранах чувствительных окончаний и постсинаптических мембранах, а потенциалы действия-в основном в проводящих структурах (типа аксонов), которые соединяют участки с такими мембранами между собой. За редким исключением, все электрические сигналы этих двух разновидностей (импульсные и градуальные) обусловлены деятельностью воротных механизмов специализированных мембранных каналов.

167

167 :: Содержание

168 :: 169 :: Содержание

6.2. Пассивное распространение электрических сигналов

Важную роль в характере распространения потенциалов и токов по нервным клеткам играют емкость и сопротивление мембраны (разд. 5.2). В простой сферической клетке (см. рис. 5-3) потенциалы распространяются в основном равномерно с минимальным затуханием. Это связано с тем, что сопротивление клеточной мембраны высоко по сравнению с общим сопротивлением току, текущему через цитоплазму на относительно короткое расстояние-порядка диаметра клетки. Благодаря этому ток, входящий в сферическую клетку, проводится и выходит через мембрану с более или менее одинаковой плотностью по всей ее поверхности. Однако живые клетки редко бывают столь просто устроены. Обычно у нервных клеток имеются длинные отростки, отвечающие за проведение сигналов на большие расстояния. В подобных длинных и тонких цилиндрических структурах (аксонах, дендритах или мышечных клетках) электрические сигналы электротонически могут распространяться лишь на короткие расстояния. Электротоническое распространение мембранных потенциалов от места вхождения тока обусловлено кабельными свойствами нервных или мышечных волокон. Ток, текущий вдоль нервного волокна, быстро затухает по двум причинам: 1) цитоплазма между двумя участками волокна обладает сопротивлением; 2) сопротивление мембраны, окружающей цитоплазму, не является бесконечно большим. Из-за этого ток, текущий в продольном направлении, постепенно затухает, поскольку происходит его утечка во внешнюю среду по всей длине цилиндрического отростка. Этот ток утечки распространяется далее в направлении, противоположном току в цитоплазме, и замыкает тем самым электрическую цепь.

Для того чтобы разобраться во всех этих процессах, полезно провести следующую аналогию. Аксон в какой-то мере подобен проложенному под водой изолированному электрическому кабелю. При этом цитоплазма служит аналогом проводника, а мембрана-аналогом изолирующей оболочки. Роль морской воды играет внеклеточная среда. Как мы увидим, такие кабельные свойства нервных и мышечных клеток играют важную роль в распространении тока и проведении импульса вдоль мембраны.

Ток, входящий в аксон, распространяется по нему в соответствии с его пассивными электрическими свойствами. Эти свойства можно проиллюстрировать с помощью эквивалентного контура, приведенного на рис. 6-4. Элементы Rм и См в данном случае такие же, что и на рис. 5-6: они соответствуют равномерно распределенным пассивному сопротивлению и емкости невозбужденной мембраны.

Рис. 6.4.

Кабельные свойства клетки цилиндрической формы, каковой является аксон. А Эквивалентный контур гипотетического кабеля. Сопротивления и емкости соединены через продольные наружные и внутренние сопротивления. Мембранное сопротивление Rм, продольное сопротивление Rп и емкость См произвольно

расчленены на отдельные элементы 0, 1, 2, 3, 4. Цветные стрелки показывают направление тока. Б. Электрические ответы, которые можно было бы зарегистрировать на RC-элементах в ответ на прямоугольный импульс, возникающий при присоединении цепи к источнику тока. По мере увеличения расстояния от этого источника амплитуда скачка потенциала (ΔV 1-4)

экспоненциально уменьшается, снижается и скорость нарастания потенциала.

Здесь они изображены как дискретные элементы лишь для удобства. Для начала мы будем перенеб-регать мембранной емкостью и представим себе, что ток протекает лишь по участкам с сопротивлением.

Сумма всех токов, выходящих из какой-либо точки электрического контура, должна быть равна сумме всех токов, входящих в эту точку (первый закон Кирхгофа). Из этого закона и закона Ома следует, что в точках ветвления электрического контура ток будет распределяться таким образом, что его величина через каждый отходящий от этой точки участок будет пропорциональна сопротивлению данного участка. Таким образом, если в

168

эквивалентном контуре, представленном на рис. 6-4, замкнуть контакты переключателя, то возникающий ток постоянной величины (ΔI) будет протекать через "мембрану" и соответствующим образом распределяться по всем параллельным компонентам (0, 1, 2, 3, 4). При каждом увеличении продольного сопротивления Rn продольный ток будет уменьшаться, поскольку при последовательном соединении сопротивления складываются. В каждой точке

ветвления ток будет разделяться: часть его будет проходить через Rм, а часть- ч е р е з Rп. Значит, трансмембранный ток, текущий через Rм, будет экспоненциально уменьшаться по мере удаления от источника. Поскольку же все сопротивления Rм в нашем контуре одинаковы, в соответствии с законом Ома потенциалы на них также будут экспоненциально уменьшаться по мере удаления от источника. Следовательно, трансмембранная разность потенциалов (ΔV), возникающая в невозбужденном волокне, экспоненциально убывает с увеличением расстояния от точки вхождения тока (рис. 6-4).

Характер затухания трансмембранных потенциалов с увеличением расстояния зависит от соотношений между сопротивлениями различных участков мембраны. Расстояние, на котором сигнал уменьшается на 63%, называется постоянной длины. Экспоненциальное убывание стационарного потенциала с расстоянием описывается уравнением, которое впервые было применено по отношению к аксонам А. Ходжкином и У. Раштоном (1946):

где Vx-изменение потенциала на расстоянии х от нулевой точки (х = 0), Vo- изменение потенциала в точке х = 0, λ - постоянная длины, связанная с сопротивлением аксона следующим соотношением:

г д е rм-поперечное сопротивление участка мембраны аксона, rп- общее продольное внутреннее и внешнее сопротивление данного участка (ri + r0).

Как видно из уравнения (6-1), при х = λ,

Значит, λ-это расстояние, на котором потенциал уменьшается на 63% (рис.

6-5).

В соответствии с уравнением (6-2) величина λ прямо пропорциональна квадратному корню, из rм и из 1/rп. Это означает, что распространение электрического тока вдоль цитоплазмы аксона облегчается при увеличении поперечного сопротивления мембраны и (или) уменьшении продольного сопротивления. Ниже мы обсудим, почему скорость проведения ПД тесно связана с эффективностью распространения тока вдоль цитоплазмы аксона. Кабельные свойства нервных клеток играют также важную роль в обработке информации в нервной системе (гл. 8).

Рис. 6.5.

Уменьшение амплитуды скачка потенциала в нервном или мышечном волокне по мере удаления от места введения стимулирующего электрода. Постоянной длины λ называется расстояние, на котором потенциал снижается в е раз (63%) по сравнению с его значением Vo в месте введения электрода.

169

168 :: 169 :: Содержание

169 :: 170 :: 171 :: Содержание

6.3. Распространение нервных импульсов

Размеры многих нейронов типа II, а также некоторых мелких нейронов типа I (см. рис. 6-1) достаточно малы по сравнению с постоянной длины их нейритов (нервных отростков), и поэтому они могут выполнять все (или большую часть) свои функции по передаче электрических сигналов без распространяющихся потенциалов действия. Обычно такие клетки не могут генерировать ПД, и их называют неимпулъсирующими нейронами, или нейронами локальных контуров. Градуальные сигналы, которые они вырабатывают, электротонически проводятся к их окончаниям без участия импульсных процессов. По мере распространения подобные сигналы угасают, однако их амплитуда остается все же достаточно высокой для того, чтобы, дойдя до окончаний нейронов, они могли инициировать высвобождение медиатора. Подобные нейроны встречаются в сетчатке и других отделах ЦНС позвоночных, в глазу усоногих раков, в нервной системе насекомых и в стоматогастральном ганглии ракообразных. Обычно общая длина этих клеток не превышает нескольких миллиметров, и, как правило, для них характерно высокое удельное сопротивление мембраны, благодаря чему достигается эффективное

169

Рис. 6.6.

При возникновении в нервном волокне ПД (А) через мембрану начинают течь местные токи (Б). Препотенииал связан с тем, что через участок, расположенный впереди от зоны генерации ПД, течет выходящий ток; в самой же этой зоне в это

время происходит вход ионов Na + . Выходящий ток в участке позади волны

возбуждения порождается в основном ионами К+. Ток, текущий впереди от области ПД, в значительной степени представляет собой емкостный ток, возникающий в

"неактивной" мембране, в которой открыто сравнительно мало ионных каналов.

электротоническое распространение сигналов с малым затуханием.

Что же касается передачи информации между различными участками нервной системы, отстоящими друг от друга на большее расстояние, то здесь необходимо распространение нервных импульсов (ПД) по аксонам нейронов. Так же распространяется возбуждение и по мышечным клеткам. Как уже отмечалось в гл. 5, при ПД изменение трансмембранного потенциала примерно в пять раз больше, чем величина пороговой деполяризации. Благодаря такому высокому фактору надежности возбуждение какого-то участка аксона способно вызвать возбуждение в соседних участках, пребывавших до того в состоянии покоя, т. е. привести к распространению ПД по аксону.

Для того чтобы понять механизм распространения нервных импульсов, необходимо вспомнить (см. гл. 5), что при деполяризации мембраны натриевые потенциалзависимые каналы становятся более проницаемы для Na+ и проникновение этого иона в клетку приводит к возникновению быстрого мощного тока в возбужденном участке аксона. Входящий ток распространяется по цитоплазме вдоль аксона, а затем выходит через мембрану, замыкая электрическую цепь. Такое электротоническое распространение местных токов вдоль аксона обусловлено его кабельными свойствами (рис. 6-4). Таким образом, вход натрия, ответственный за фазу деполяризации ПД (рис. 6-6, А), приводит к появлению тока, текущего вдоль аксона в обоих направлениях (вперед и назад) (рис. 6-6, Б). Местные токи, текущие по аксону вперед (от участка возбуждения), ответственны за распространение ПД.

Рассмотрим ток, текущий по аксону в направлении распространения нервного импульса (на рис. 6-6, Б- влево). Для того чтобы электрическая цепь была замкнута, этот ток должен вытекать через невозбужденные участки мембраны впереди от той области, где происходит вход натрия, и затем возвращаться назад к этой области. Поскольку в покое проводимость мембраны обусловлена главным образом открытыми калиевыми каналами, выходящий ток переносится в основном ионами калия. Этот калиевый ток, вытекающий наружу через невозбужденные участки мембраны, частично деполяризует мембрану, что сопровождается появлением препотенциала на кривой распространяющегося нервного импульса (см. рис. 5-15 и 6-6, А). Такая электротоническая деполяризация невозбужденных участков мембраны, находящихся впереди от возбужденной области, была впервые четко показана в 1937 г. Аленом Ходжкином, когда он еще учился в университете (схема опыта Ходжкина приведена на рис. 6-7).

По мере того как участки мембраны, расположенные впереди от места возникновения ПД, деполяризуются местными токами, их натриевая проницаемость возрастает, и в результате развивается регенеративный процесс (цикл Ходжкина), приводящий к генерации ПД. Появление ПД в новом участке вызывает местные токи, деполяризующие и возбуждающие следующие участки. Иными словами, местные токи в каждом возбужденном участке мембраны

вызывают деполяризацию и возбуждение соседнего участка. Тем самым распространяющийся по аксону сигнал постоянно усиливается и поддерживается на одинаковом уровне. Порог деполяризации в невозбужденной мембране составляет около 20 мВ, тогда как общая величина деполяризации при ПД обычно равна примерно 100 мВ. Иными словами, при ПД благодаря циклу Ходжкина происходит усиление электротонического сигнала примерно в пять раз.

Ток, входящий в аксон в месте возбуждения, частично распространяется и назад, т. е. в направлении, противоположном распространению нервного импульса. Такой ток не вызывает возбуждение

170

мембраны, поскольку ее участки, находящиеся непосредственно сзади от распространяющейся волны возбуждения, пребывают в состоянии рефрактерности (разд. 5.6.1). Калиевые каналы в таких участках открыты, и калиевый ток выходит из клетки.

Таким образом, для распространения нервных импульсов имеют основное значение два фактора.

1.Электрическая возбудимость натриевых каналов мембраны аксона, через которые течет ток, приводящий к пятикратному регенеративному усилению пассивной деполяризации, вызываемой местными токами.

2.Пассивные кабельные свойства аксона, обусловливающие электротоническое распространение местных токов от участков мембраны, где происходит вход натрия, к расположенным впереди невозбужденным участкам.

Рис. 67. Опыт, в котором Ходжкин впервые показал, что при ПД возникает ток, распространяющийся по аксону и электротонически вызывающий деполяризацию неактивной мембраны впереди от возбужденной области. А. Участок нерва (затенен) был заблокирован путем охлаждения, и регистрировались потенциалы в точках б-е. Б. Оказалось, что электротоническая деполяризация экспоненциально убывает по мере, увеличения расстояния от места блокирования. (Hodgkin, 1937.)

Косвенную роль играет также задержанная активация калиевых каналов: благодаря ей реполяризация ускоряется, и мембрана становится готовой для проведения следующего ПД.

Здесь может возникнуть вопрос, почему же внеклеточные токи, появляющиеся при генерации ПД в каком-либо аксоне, не возбуждают соседние аксоны, иными словами, каким образом предупреждается межаксонная передача сигналов? Коротко на этот вопрос можно ответить так: дело в том, что сопротивление невозбужденной мембраны настолько высоко по сравнению с сопротивлением, оказываемым току внеклеточной средой, что лишь очень небольшая часть общего тока, возникающего при ПД, входит в соседний невозбужденный аксон. Именно благодаря шунтирующему эффекту внеклеточной среды токи, возникающие при возбуждении аксона, обычно бывают слишком незначительны, чтобы возбудить соседние нейроны. В то же время эти токи можно обнаружить с помощью внеклеточных электродов (дополнение 6-1).

171

169 :: 170 :: 171 :: Содержание

171 :: 172 :: 173 :: Содержание

6.3.1. Скорость распространения нервных импульсов

В 1830 г. один из крупнейших физиологов XIX века Иоганн Мюллер заявил, что скорость распространения ПД измерить невозможно. По его мнению, поскольку ПД-это электрический импульс, он должен проводиться со скоростью, примерно равной скорости света (3·1010 см/с); учитывая небольшие размеры биологических объектов, даже с помощью лучших инструментов того времени измерить такую скорость было невозможно.

Спустя 15 лет один из студентов Мюллера Герман фон Гельмгольц с помощью простого и изящного эксперимента, который легко воспроизвести на студенческом лабораторном практикуме (рис. 6-8), измерил скорость распространения импульсов в нерве лягушки. В своих опытах Гельмгольц раздражал нерв в двух участках, отстоящих друг от друга на 3 см, и измерял время от момента подачи стимула до максимума мышечного сокращения. Предположим, что при раздражении дистального (расположенного ближе к мышцам) участка это время уменьшается на 1 мс. Тогда скорость распространения​ импульсов V равна

171

Рис. 6.8.

Экспериментальная установка, аналогичная той, с помощью которой Гельмгольц измерил скорость распространения импульсов в нерве лягушки. Стимулирующие электроды сначала подводились к точке Ст1, а затем-к точке Ст2. К мышце был

подсоединен рычаг, заостренный конец которого вычерчивал кривую на закопченном листе бумаги, быстро передвигаемом в продольном направлении.

Эта величина оказалась на семь порядков меньше, чем скорость распространения электрического тока в медном проводнике или в растворе электролита. Отсюда Гельмгольц сделал совершенно правильный вывод, что проведение нервного импульса-это более сложный процесс, чем простое продольное​ распространение тока в нервном волокне.

волокон группы у как диаметр, так и скорость проведения наиболее низки (см. табл. 6-1). Стимуляция осуществлялась до момента начала регистрации.

172

диаметра аксона, т. е. уменьшение внутреннего продольного сопротивления [в уравнении (6-2)-ri]. Подробнее этот вопрос рассмотрен в дополнении 6-2. Гигантские аксоны развились в процессе эволюции у некоторых видов животных для того, чтобы обеспечивать быструю синхронную активацию двигательных рефлексов, например движении мантии у кальмара и рефлекса отдергивания либо избегания у некоторых членистоногих (раков, тараканов) и кольчатых червей (например, земляных).

173

171 :: 172 :: 173 :: Содержание

эффект, как и увеличение rм [уравнение (6-2)]. Из-за высокого сопротивления миелиновой оболочки местные токи, текущие впереди от волны возбуждения, выходят из аксона почти исключительно в области перехватов Ранвье. Кроме того, поскольку емкость толстой миелиновой оболочки мала, на перезарядку этой емкости в участках между перехватами расходуется лишь очень небольшой ток. Благодаря этим особенностям ПД, возникающий в каком-либо перехвате, электротонически деполяризует лишь мембрану, расположенную в области следующего перехвата, и поэтому импульсы в таких аксонах не распространяются по всей их длине, как в немиелинизированных нервных волокнах (например, в аксоне кальмара). Они возникают лишь в небольших участках мембраны - перехватах Ранвье. Все это обусловливает салътаторное (скачкообразное) проведение; при котором импульсы распространяются прерывисто от перехвата к перехвату (рис. 6-11). Скорость распространения ПД при этом резко увеличивается, поскольку электротоническое проведение местных токов между перехватами осуществляется очень быстро. Таким образом, у позвоночных животных Природа решила проблему быстрого распространения нервных импульсов, не прибегая к созданию таких громоздких структур, как гигантские аксоны.

173

173 :: Содержание

173 :: 174 :: Содержание

6.4. Представление о синапсах

В начале нашего века великий гистолог Сантьяго Рамон-и-Кахаль с помощью световой микроскопии и метода импрегнации серебром по Гольджи показал, что нейроны прокрашиваются как отдельные клетки. Несмотря на это, некоторые анатомы продолжали считать, что нервная система состоит не из отдельных нейронов, а представляет собой единую

173

Рис. 6.11.

Сальтаторное проведение в миелинизированном аксоне. Приведены кривые тока, как бы "зафиксированные" в определенный момент времени. А. ПД возникает только в перехватах Ранвъе и перескакивает от одного перехвата к другому. Местный ток распространяется между перехватами в продольном направлении. Крупными

стрелками изображен вход Na+ через активированные натриевые каналы в области перехватов. Б. Внутриклеточный потенциал в каждом перехвате в момент времени (кружки), представленный в верхней части рисунка.

сеть. Четкие данные о дискретной организации нервной системы и наличии особых участков межнейронного взаимодействия были получены в 40-х годах с использованием методов электронной микроскопии​ .

В 1897 г., т.е. задолго до выявления ультраструктурных основ межнейронных взаимодействий, Чарльз Шеррингтон, считающийся основателем современной нейрофизиологии, назвал связь между двумя нейронами синапсом. Он писал, что "сам нейрон от одного его конца до другого, без сомнения, непрерывен, однако в тех участках, где нейроны сообщаются друг с другом, т.е. в синапсах, эта непрерывность уже не обнаруживается. Здесь, по-видимому, осуществляется иной способ передачи" (Sherrington, 1906, р. 21). У Шеррингтона не было прямых данных о микроструктуре или микрофизиологии этих специализированных участков взаимодействия возбудимых клеток, однако он проявил удивительную интуицию, поставив чрезвычайно тонкие эксперименты по изучению спинальных рефлексов у животных. Он пришел к выводу, что одни из этих синапсов являются возбуждающими, т.е. запускают генерацию ПД, а другие -тормозными (препятствуют возникновению ПД).

Сегодня мы знаем, что существуют две основные разновидности синапсов

-химические и электрические​ . Сначала мы рассмотрим более простые из них - электрические.

174

173 :: 174 :: Содержание

174 :: 175 :: Содержание

6.5. Передача возбуждения в электрических синапсах

В электрических синапсах пре- и постсинаптическая мембраны тесно прилегают друг к другу (рис. 6-12, А). При этом образуется плотный контакт (разд. 4.10), через который электрический ток может прямо проходить от одной клетки к другой. Благодаря такому простому проведению тока через контакт электрический сигнал в пресинаптической клетке вызывает сходный, но несколько ослабленный сигнал в клетке постсинаптической. Таким образом, в электрическом синапсе информация передается чисто электрически без какихлибо химических медиаторов.

Электрическое проведение между нейронами можно исследовать, поставив эксперимент, подобный представленному на рис. 6-13. Подача импульса тока, амплитуда которого не превышает пороговой величины, в клетку а приводит к временному изменению мембранного потенциала этой клетки. Если достаточно большая часть этого тока проходит через плотный контакт в клетку б, то и в ней возникает ощутимое изменение мембранного потенциала. Поскольку в области плотного контакта ток, проходящий из клетки а в клетку б, ослабевает, электротоническое изменение потенциала клетки б будет меньше, чем клетки а. Сопротивление таких межклеточных плотных контактов, как правило (но не всегда), бывает симметричным, т. е. одинаковым в обоих направлениях.

Благодаря электрическим соединениям между двумя нейронами местные токи, возникающие при генерации ПД в одном из них, могут распространяться в другой и деполяризовать его. Принципиально проведение ПД через электрический синапс не отличается от распространения импульсов в одном нейроне, поскольку в обоих случаях в его основе лежат пассивное протекание местных токов перед волной возбуждения, а также деполяризация и возбуждение этими токами участков, расположенных по ходу распространения волны. Как мы уже отмечали, фактор надежности (отношение

174

амплитуды ПД к порогу деполяризации) для потенциала действия обычно составляет около 5. В связи с этим для того, чтобы электротоническая деполяризация постсинаптической клетки могла достичь порога и вызвать потенциал действия, сигнал при передаче от одной клетки к другой не должен уменьшаться более чем в 5 раз. Поэтому трудно было бы ожидать, чтобы одиночный импульс в тонком аксоне мог через электрический синапс вызвать достаточно мощный для возникновения ПД местный ток в сравнительно крупной клетке, скажем мышечном волокне: площадь мембраны такой клетки огромна по сравнению с площадью мембраны аксона, а, следовательно, ее входное сопротивление значительно ниже. Несомненно, это одна из причин того, что в процессе эволюции электрические синапсы не получили столь

широкого распространения, как химические​ .

Электрическая передача сигналов между возбудимыми клетками впервые была продемонстрирована Эдвином Фершпаном и Дейвидом Поттером в 1959 г. в опытах на раке. Синапс, соединяющий у рака гигантское латеральное нервное волокно и крупный двигательный аксон, обладает необычным свойством-он проводит ток преимущественно в одном направлении (рис. 6-14). Вскоре электрическая передача возбуждения между клетками была обнаружена в ЦНС, гладких мышцах, сердечной мышце, рецепторных клетках и аксонах. Поскольку ток при такой передаче непосредственно течет из пресинаптической клетки в постсинаптическую без каких-либо промежуточных этапов, задержка при проведении возбуждения в электрических синапсах меньше, чем в химических. Значит, электрическое проведение более удобно в тех случаях, когда необходимо синхронизировать электрическую активность нескольких нервных клеток или быстро охватить возбуждением несколько клеток. В качестве примера можно привести гигантские нервные волокна земляного червя и миокард позвоночных.

175

174 :: 175 :: Содержание

рис. А.) в области щелевых контактов между пре-и постсинаптическими мембранами и деполяризует последнюю. Б, Химический синапс. В этом случае клетки не соединены друг с другом непрерывным образом, и, следовательно, ток не может течь непосредственно из пре-в постсинаптическую клетку.

Синаптические токи начинают течь через постсинаптическую мембрану лишь при открывании в последней ионных каналов (средняя часть рис. Б) под действием медиатора. (Из работы Whittaker, 1968, с изменениями.)

175

Рис. 6.13. А. Если между клетками существует электрический контакт, то введение тока в одну из них вызывает изменение потенциала в обеих. Б. Контакт между клетками обычно симметричен, т. е. ток одинаково хорошо проходит в обоих направлениях. Для простоты предположим, что возбуждение в клетках не возникает и они отвечают на стимуляцию лишь пассивно.

Рис. 6.14. Гигантский электрический синапс рака. А. Установка для раздражения и регистрации активности пре- и постсинаптических аксонов. Б. ПД, возникающий в пресинаптическом аксоне (латеральном гигантском аксоне), передается через электрический синапс в постсинаптический аксон (гигантский двигательный аксон) и вызывает в нем возбуждение. В. ПД, возникающий в постсинаптическом аксоне, не вызывает существенных изменений потенциалов в пресинаптическом аксоне. Эти опыты показывают, что ток распространяется преимущественно из пресинаптической клетки в постсинаптическую-ситуация, не типичная для электрических синапсов. (Furshpan, Potter, 1959.)

последовательность приведена на рис. 6-15. После поступления ПД к пресинаптическому окончанию (вверху) происходит деполяризация мембраны этого окончания, активируются кальциевые каналы и в окончание входит Са 2+. Повышение [Ca2+]i инициирует экзоцитоз везикул, наполненных медиатором. Содержимое везикул высвобождается во внеклеточное пространство, и часть молекул медиатора, диффундируя, связывается с рецепторными молекулами постсинаптической мембраны. В результате происходит активация ионных каналов, связанных с этими молекулами, и переход по каналам соответствующих ионов по их электрохимическим градиентам порождает прстсинаптический ток, под действием которого возникает постсинаптический потенциал. Если этот потенциал превосходит пороговый, возникает ПД. Химическая передача возбуждения более гибкая, чем электрическая, поскольку при этом без труда может осуществляться как возбуждающее, так и тормозное действие. Кроме того, при активации постсинаптических каналов химическими агентами может возникать достаточно сильный ток, способный деполяризовать крупные клетки, поэтому при химической передаче мелкие пресинаптические волокна могут возбуждать большие постсинаптические клетки.

176

Втечение первых шести десятилетий нашего века среди ученых шли споры

оналичии химической передачи и медиаторов. Первые прямые данные в пользу существования химического медиатора были получены Отто Леви (1921). Он

обнаружил, что при торможении деятельности сердца лягушки путем раздражения блуждающего нерва из сердца выделяется вещество, под действием которого частота сокращений сердца другой лягушки также уменьшается. Работы, последовавшие за открытием Леви, увенчались тем, что была установлена природа медиатора посттанглионарных нейронов блуждающих нервов (см. рис. 8-ll,Б) и мотонейронов, иннервирующих скелетные мышцы у позвоночных. Этим медиатором оказался ацетилхолин (АцХ)- С тех пор был обнаружен ряд других медиаторов и получено множество новых данных об их действии.

Рис. 6.15. Последовательность событий, происходящих в химическом синапсе от момента возбуждения пресинаптического окончания до возникновения ПД в постсинаптической мембране.

177

175 :: 176 :: 177 :: Содержание

177 :: 178 :: 179 :: Содержание

6.6.1. Строение химических синапсов

Химическая передача сигналов осуществляется через синаптическую щель- область внеклеточного пространства шириной около 20 нм, разделяющую мембраны пре- и постсинаптических клеток (рис. 6-12,5). В пресинаптическом окончании содержатся синоптические везикулы (рис. 6-16, 6-17)-мембранные пузырьки диаметром порядка 50 нм, в каждом из которых заключено 1·104-5·104 молекул медиатора. Число таких пузырьков в пресинаптических окончаниях составляет несколько тысяч. Так, во всех веточках окончания, иннервирующего одиночное мышечное волокно лягушки, обычно содержится около 10 5 синаптических пузырьков. При передаче сигнала медиатор высвобождается в синаптическую щель и диффундирует к постсинаптической мембране. Синаптическая щель заполнена мукополисахаридом, "склеивающим" пре- и постсинаптическую мембраны. В области синапса эти мембраны обычно несколько утолщены.

Наиболее полно изучено синаптическое проведение через нервномышечный синапс, или концевую пластинку скелетных мышц позвоночных (рис. 6-17), в частности портняжной мышцы лягушки1. Проведение возбуждающих сигналов в нейронах ЦНС, за исключением различий в природе медиаторов и некоторых количественных особенностей, осуществляется так же, как и в нервно-мышечном синапсе. На примере этого синапса мы и рассмотрим механизм химического проведения.

Обратимся к рис. 6-17 и трехмерной реконструкции двигательной концевой пластинки лягушки, приведенной на рис. 6-18. Из этих рисунков видно, что нервно-мышечный синапс состоит из специализированных участков постсинаптической мембраны, окончания двигательного нерва и шванновских

177

клеток. От окончания нерва отходят ветви толщиной около 2 мкм, каждая из которых лежит в продольном углублении поверхностной мембраны мышечного волокна. Мембрана, выстилающая это углубление, с периодичностью 1-2 мкм образует поперечные субнейроналъные складки. В. участках нервного окончания, расположенных непосредственно над этими складками, имеются так называемые активные зоны-поперечные участки с несколько утолщенной пресинаптической мембраной, над которыми скапливаются синаптические пузырьки. Есть указания на то, что пузырьки выделяются из активных зон путем экзоцитоза; в пользу этого говорят электронно-микроскопические данные, такие, например, как на рис. 6-16. Выделение медиатоpa из пресинаптического окончания начинается под действием поступающего к этому окончанию ПД. Высвободившийся медиатор (в нервно-мышечном синапсе позвоночных это ацетилхолин) гидролизуется ацетилхолинэстеразой (АцХЭ). Этот фермент можно обнаружить гистохимическими методами (рис. 6-17). Оказалось, что в

нервно-мышечном синапсе лягушки он располагается в области субнейрональных складок. Еще до гидролиза АцХ связывается с рецептором в постсинаптической мембране концевой пластинки, в результате чего на короткое время открываются расположенные рядом с этими рецепторами каналы, более или менее избирательно проницаемые для Na+ и К+.

Рис. 6.16. Поперечный срез синаптического

окончания в электрическом органе ската Torpedo; препарат получен методом замораживания - скалывания. В окончании видны синаптические пузырьки; два из них были заморожены в тот момент, когда они вскрывались в синаптическую щель. Увеличение 40000. (Nickel, Potter, I970.)

Рис. 6.17. Двигательная концевая пластинка (нервно-мышечное соединение) лягушки. А. Снимок цельного препарата под световым микроскопом. Видно двигательное волокно (идет в направлении сверху), разветвляющееся вправо и влево по поверхности мышечной клетки. С помощью специфической гистохимической реакции ацетилхолинэстераза на постсинаптической (мышечной) мембране была окрашена в черный цвет. Б. Электронная микрофотография области двигательной концевой пластинки. Мышечная клетка (в ней видна поперечная исчерченность миофибрилл) расположена внизу. В мембране мышечной клетки образуются многочисленные впячивания - так называемые субнейрональные складки. Над мышечным волокном проходит окончание аксона (здесь виден его продольный срез), в котором содержатся бледные синаптические пузырьки, группирующиеся над участками утолщения пресинаптической мембраны и образующие так называемые активные зоны. Над пузырьками видны более темные гранулы и митохондрии. Синоптическая щель заполнена аморфным мукополисахаридом. (McMahan et al, 1972.)

178

Рис. 6.18. Трехмерная реконструкция двигательной концевой пластинки лягушки по данным электронной микроскопии. Нервное окончание лежит в углублении на поверхности мышечного волокна, В этом углублении имеются поперечные субнейроналъные складки (cc), над которыми располагаются активные зоны (аз) нервного окончания, богатые синаптическими пузырьками (сп). Окончание покрывает шванновская клетка (Ш), от которой под это окончание протягиваются тонкие отростки. (Для сравнения см. рис. 6-17.) (Peper et al., I974.)

179

1Строго говоря, термин "концевая пластинка" не совсем точно описывает строение нервно-мышечного

синапса у земноводных; первоначально он был применен к нервно-мышечному соединению млекопитающих, которое действительно было компактно и больше похоже на пластинку, чем у земноводных.

177 :: 178 :: 179 :: Содержание

179 :: 180 :: Содержание

6.6.2. Синаптические потенциалы

В 1942 г. Стефан Куффлер опубликовал результаты опытов на одиночных мышечных волокнах лягушки. В этих опытах были зарегистрированы деполяризующие потенциалы, тесно связанные с концевой пластинкой. Они возникали в ответ на поступление импульсов по двигательным нервам и предшествовали генерации ПД в мышечной клетке. Деполяризующие потенциалы, зарегистрированные Куффле-ром с помощью достаточно грубых по современным понятиям внеклеточных методик, были наибольшими в области концевой пластинки и постепенно уменьшались и исчезали по мере удаления от нее. В связи с этим они были названы потенциалами концевой пластинки (ПКП). Куффлер сделал правильный вывод о том, что распространяющийся в мышечной клетке ПД возникает в результате местной деполяризации постсинаптической мембраны в ответ на поступление ПД к пресинаптическому окончанию.

После того как в конце 40-х гг. была разработана методика измерений с помощью стеклянных капиллярных микроэлектродов, появилась возможность существенно углубить эти первые исследования. Те данные, которые мы будем здесь рассматривать, получены при изучении синаптической передачи в нервномышечном соединении лягушки с использованием внутриклеточных методик; эти работы были выполнены главным образом в лаборатории Бернарда Катца.

Если ввести микроэлектрод в мышечное волокно на расстоянии нескольких миллиметров от области ветвления двигательного нерва, то мы зарегистрируем потенциал покоя, а затем, через несколько миллисекунд вслед за поступлением ПД в окончание двигательного аксона, импульсный ПД. При раздражении двигательного аксона каждый раз будет регистрироваться ПД мышечного волокна, а само волокно будет сокращаться. Если же подействовать на препарат ядом кураре (D-тубокурарином; см. дополнение 6-3), использовавшимся южноамериканскими племенами для смазывания стрел, и постепенно увеличивать концентрацию этого яда, то при какой-то пороговой величине будет наблюдаться резкое полное подавление ПД в мышце (по закону "все или ничего") и мышца не сократится. В то же время никаких изменений ПД в двигательном нервном волокне не произойдет, а мышечное волокно сможет генерировать ПД и сокращаться в ответ на прямой электрический стимул. Значит, кураре не действует на генерацию ПД в пресинаптическом волокне и постсинаптической клетке, и из этого можно заключить, что данный яд какимто образом блокирует синаптическую передачу в нервно-мышечном соединении.

При введении же микроэлектрода в непосредственной близости (на расстоянии менее 0,1 мм) от концевой пластинки (рис. 6-19,Б) происходит следующее.

1. ПД возникает не скачкообразно от уровня потенциала покоя, ему

предшествует появление деполяризующего потенциала, значительно более медленного и низкоамплитудного, чем сам потенциал действия. Это и есть ПКП, или постсинаптический потенциал.

179

Рис. 6.19. Разделение ПКП и ПД. А. ПД, регистрируемый в

мышечном волокне на некотором расстоянии от концевой пластинки. Б. ПД, регистрируемый рядом с концевой пластинкой; видно, что ПД как бы "вырастает" из ПКП. В. Если уменьшить амплитуду ПД ниже критического уровня, введя кураре-препарат, блокирующий постсинаптические рецепторы, то можно будет зарегистрировать только ПКП. В этом случае на некотором расстоянии от двигательной концевой пластинки будет регистрироваться лишь потенциал покоя.

1.По мере увеличения концентрации кураре величина ПКП становится все меньше.

2.Для того чтобы постсинаптический потенциал мог запустить ПД, он должен достичь некоего критического уровня-порогового потенциала. Именно поэтому в том случае, когда при достаточной концентрации кураре амплитуда постсинаптического потенциала снижается ниже пороговой величины, ПД резко подавляется.

Втом случае, когда под действием кураре постсинаптический потенциал становится меньше порогового, генерация ПД подавляется и регистрируется один лишь ПКП без наложенного на него потенциала действия (рис. 6-19,В). Если теперь снова вводить регистрирующий микроэлектрод все дальше и дальше от концевой пластинки, то окажется, что амплитуда постсинаптического потенциала будет убывать примерно экспоненциально (рис. 6-20). Таким образом, в отличие от регенеративного и распространяющегося без затухания ПД постсинаптический потенциал проводится пассивно и постепенно затухает.

Рис. 6.20. Затухание ПКП по мере увеличения расстояния от концевой пластинки. А. Для записи ПКП микроэлектроды вводили на расстоянии 0, 0,5; 1,0; 7,5; 2,0; 2,5 и 3 мм от концевой пластинки мышечного волокна лягушки при частичном блокировании кураре. Б. ПКП, зарегистрированные на разном расстоянии (оно указано над кривыми в миллиметрах) от концевой пластинки. В. По мере удаления от концевой пластинки максимальная амплитуда потенциала убывает примерно экспоненциально. (Fall, Katz, 1951.)

180

179 :: 180 :: Содержание

180 :: 181 :: Содержание

6.6.3. Синаптические токи

При изменении мембранной проницаемости для одного или нескольких ионов (т. е. при открывании или закрывании соответствующих каналов)

180

мембранный потенциал, согласно уравнению (5-7), может смещаться до нового уровня. Когда открываются каналы того или иного типа, через них устремляются соответствующие ионы и возникает электрический ток. Эти механизмы важно иметь в виду, если мы хотим понять сущность химической передачи сигналов, поскольку под действием медиатора, высвобождающегося из пресинаптических окончаний, постсинаптические каналы открываются (или, реже, закрываются). Через активированные постсинаптические каналы течет синаптический ток. Таким образом, процессы, происходящие при химической передаче, определяются тем, какие каналы (для каких ионов) будут открываться под действием медиатора: от природы проходящих через каналы ионов зависят направление и величина протекающего через мембрану тока, а следовательно, полярность и амплитуда постсинаптического потенциала.

Ионные токи, обусловливающие постсинаптический потенциал, можно зарегистрировать, поддерживая этот потенциал на постоянном уровне методом фиксации потенциала на постсинаптической мембране (см. дополнение 5-4). Потенциал нервно-мышечного препарата следует фиксировать в непосредственной близости от концевой пластинки (рис. 6-21, ,A). В подобных экспериментах потенциал постсинаптической мембраны поддерживают на постоянном уровне с помощью электронной системы с обратной связью, а двигательное (пресинаптическое) волокно раздражают. Медиатор, высвобождающийся из окончания этого волокна, вызывает характерный синаптический ток (рис. 6-21, Б). Он порождается ионами, переносимыми по их электрохимическому градиенту через каналы, которые открываются в постсинаптической мембране под действием медиатора.

Для выяснения природы ионов, отвечающих за синаптический ток, первоначально изменяли внеклеточные концентрации различных ионов и исследовали влияние этих изменений на синаптический ток. Так было обнаружено, что входящий синаптический ток в концевой пластинке порождается входящими ионами Na+ , причем этот ток частично компенсируется меньшим по величине выходящим калиевым током. Сегодня известно, что через одни и те же каналы, активируемые в концевой пластинке АцХ, проходят и те и другие ионы. Значит, эти каналы характеризуются меньшей селективностью, чем по-тенциалзависимые натриевые и калиевые каналы, активируемые при деполяризации мембраны (см. табл. 5-1).

Из рис. 6-21, Б видно, что синаптический ток гораздо менее

продолжителен, чем синаптический потенциал. Синаптические каналы открываются на очень небольшое время, поскольку АцХ быстро подвергается ферментативному расщеплению. После удаления медиатора каналы закрываются и синаптический ток прекращается. При этом мембранный потенциал после некоторой задержки, определяемой постоянной времени мембраны (разд. 5.2.3), возвращается к уровню покоя.

Рис. 6.21.

Синаптический ток и синаптический потенциал в двигательной концевой пластинке лягушки. А. На мембране мышечного волокна методом фиксации потенциала поддерживается постоянный постсинаптический потенциал и записывается ток концевой пластинки Ic. Б. Раздражение двигательного нерва приводит к выбросу

медиатора и возникновению синаптического тока (нижняя кривая). Если мембранный потенциал не фиксируется, возникает ПКП (верхняя кривая), убывающий во времени гораздо медленнее, чем ток концевой пластинки.

181

180 :: 181 :: Содержание

181 :: 182 :: 183 :: 184 :: Содержание

6.6.4. Потенциал реверсии

Как мы уже говорили (разд. 5.5), активация мембранных каналов, избирательно проницаемых для иона X, приводит к сдвигу мембранного потенциала Vм к равновесному значению Еx для данного иона. В некоторых случаях под действием химического медиатора или какого-либо другого раздражителя активируются мембранные каналы, проницаемые не только для одного иона, а, например, для Na+ и К+. В качестве примера можно привести АцХ-

181

активируемый постсинаптический канал в нервно-мышечном соединении позвоночных. В ответ на ацетилхо-лин этот канал становится проницаемым как для Na+, так и для К + . При этом возникает смешанный ионный ток, под действием которого потенциал постсинаптической мембраны смещается к новому уровню - потенциалу реверсии Eрев. Этот потенциал всегда занимает некоторое промежуточное положение между равновесными потенциалами для этих двух проникающих ионов. Независимо от числа активируемых каналов сдвиг потенциала при их активации никогда не превышает потенциала реверсии. Можно показать, что при открывании такого рода канала мембранный потенциал всегда смещается к потенциалу реверсии, каким бы ни был исходный потенциал. Значит если сместить этот исходный потенциал за уровень потенциала реверсии Eрев, то постсинаптический потенциал, возникающий при действии медиатора, изменит свой знак на противоположный. Представление о потенциале реверсии оказалось довольно удобным для физиологов, поскольку этот потенциал позволяет в какой-то степени судить о том, какие ионы отвечают за смешанный ионный ток. Кроме того, в случае, если возникают подобные смешанные токи (т.е. токи, порождаемые более чем одним типом ионов), потенциал реверсии служит аналогом равновесного потенциала, образующегося при переносе лишь одной разновидности ионов.

На рис. 6-22 представлена схема опыта, позволяющего определить потенциал реверсии для синаптического тока двигательной концевой пластинки. При раздражении пресинаптического волокна из него выделяется медиатор (АцХ), активирующий постсинаптические каналы; по этим каналам, как мы уже знаем, течет смешанный Na+-K+-ток. При этом постсинаптический потенциал регистрируется внутриклеточным способом. Через постсинаптическую мембрану пропускается ток, смещающий потенциал до задаваемого экспериментатором уровня. По мере деполяризации клетки под действием этого тока амплитуда синаптического потенциала все более уменьшается, и при потенциале 0-10 мВ синаптический потенциал исчезает. Если же далее смещать мембранный потенциал в сторону еще более положительных величин, то постсинаптический потенциал вновь появится, однако знак его уже будет противоположным.

Рис. 6.23.

Различные токи, текущие через каналы в области концевой пластинки при разной величине мембранного потенциала. А. Схематическое изображение натриевых и калиевых токов, текущих через АцХ-активируемые каналы при различных значениях мембранного потенциала (начиная от Ек). На данном рисунке ворота

изображены открытыми; длина стрелок отвечает относительным значениям натриевого и калиевого токов. Б. Суммарные синоптические токи, возникающие в случаях, изображенных в левой части рисунка. Видно, что при определенном значении мембранного потенциала входящий и выходящий токи становятся равными друг другу, но противоположно направленными (в), а суммарный токравным 0. Этот потенциал и соответствует потенциалу реверсии Ерев.

мембранный потенциал на уровне Ек, то движущая сила, обеспечивающая перенос К+, станет равной 0 и весь ток через эти каналы будет порождаться входящим Na+, движущимся под действием большого электрохимического градиента Vм-ЕNa (рис. 6-23, д). Теперь представим себе, что Vм фиксируется на уровне ENa и каналы опять активируются АцХ. В этом случае движущая сила,

обусловливающая перенос Na+, равна 0, но возникает большой электрохимический градиент для К+. Синаптический ток при этом будет порождаться исключительно ионами К+, проходящими через активированные каналы (рис. 6-23, а). Из всего этого следует, что где-то между ENa и Ек должен существовать мембранный потенциал, при котором натриевый и калиевый парциальные токи через канал будут равны по величине и противоположны по направлению. В этом случае при открывании канала суммарный ток будет равен 0 (рис. 6-23, в). Именно такой потенциал и соответствует потенциалу реверсии для АцХ-акти-вируемого тока. Каналы концевой пластинки лягушки примерно

одинаково проницаемы для обоих ионов-Na+ и К+, поэтому потенциал реверсии равен алгебраической сумме ENa и Ек. Чисто интуитивно кажется (а в дополнении 6-4 это подробно доказывается), что потенциал реверсии для данного синаптического тока (или любых других токов, переносимых двумя ионами) должен зависеть от двух факторов: 1) относительных проницаемостей активированного канала для проникающих ионов; 2) равновесных потенциалов для этих ионов,

183

зависящих в свою очередь от их концентрационных градиентов.

Потенциал реверсии постсинаптического тока имеет важное значение, поскольку от него зависит, к чему будет приводить этот ток - к возбуждению или торможению постсинаптической клетки. Различия между этими двумя процессами рассматриваются в следующем разделе.

184

181 :: 182 :: 183 :: 184 :: Содержание

184 :: 185 :: 186 :: Содержание

6.6.5. Постсинаптическое торможение

Если процессы, происходящие в синапсе, увеличивают вероятность возникновения ПД в постсинаптической клетке, то их называют возбуждающими. Напротив, если эта вероятность снижается, то говорят о торможении. Значит, любой постсинаптический ток, потенциал реверсии для которого более положителен, чем пороговый потенциал, является возбуждающим (рис. 6-24, А и 6-25, А), а если этот потенциал реверсии более отрицателен, чем пороговая величина, то говорят о тормозном постсинаптическом токе. Возбуждающие токи текут через каналы, проницаемые для Na+ или Са2+ , а часто - и для К+ . Что же касается тормозных синаптических токов, то они текут через каналы, пропускающие К+ или Сl-, поскольку равновесные потенциалы любого из этих ионов обычно близки к потенциалу покоя и, следовательно, более отрицательны, чем пороговая величина.

В тех случаях, когда потенциал реверсии для медиаторного тока равен потенциалу покоя, при увеличении проводимости постсинаптической мембраны, обусловленном активацией тормозных каналов тормозным медиатором, синаптический ток не возникает и мембранный потенциал не изменяется. Иными словами, даже несмотря на увеличение проницаемости для Сl- или К+ , мембранный потенциал в этих случаях остается постоянным и равным потенциалу покоя. Однако медиатор в таких случаях все же оказывает тормозное действие, поскольку активация соответствующих каналов противодействует тому эффекту, который может оказывать одновременное открывание возбуждающих каналов. Если потенциал реверсии для тормозных каналов более отрицателен, чем потенциал покоя, то под действием тормозного медиатора потенциал клетки будет смещаться по направлению к потенциалу реверсии, т. е. наступит гиперполяризация (рис. 6-24). Напротив, если потенциал реверсии для каких-то каналов более положителен, чем потенциал покоя, но отрицательнее порогового уровня, то активация

Рис. 6.24.

А. Деполяризующий и гиперполяризующий синоптическиепотенциалы. Под действием медиатора D возникают такие изменения проницаемости постсинаптической мембраны, при которых через эту мембрану течет суммарный

входящий ток (переносимый преимущественно ионами Na+). В результате число положительных зарядов внутри клетки возрастает, и появляется деполяризующий постсинаптический потенциал. Что же касается медиатора Н, то on увеличивает мембранную проницаемость преимущественно для ионов, электрохимические градиенты для которых таковы, что при переносе этих ионов (это могут быть,

например, К+ или Сl-) положительные заряды выходят из клетки. Поэтому под действием данного медиатора появляется гиперполяризующий синаптический потенциал. Б. Направления токов, возникающих в постсинаптической мембране под действием медиаторов D и Н, взаимно противоположны.

184

Рис. 6.25. Взаимодействие тормозных и возбуждающих потенциалов. А. Если возбуждающий постсинаптический потенциал превышает пороговую величину, возникает ПД. Б. Постсинаптический потенциал может быть тормозным даже в том случае, если он деполяризующий; важно лишь, чтобы потенциал реверсии такого тормозного потенциала был выше порогового уровня возникновения ПД. В. Под действием тормозного медиатора (например, такого, эффект которого представлен на рис. Б) степень деполяризации, вызванной возбуждающим медиатором (рис. А), может уменьшаться настолько, что постсинаптический потенциал не достигнет уровня порога.

этих каналов приведет к деполяризации (рис. 6-25, Б). В то же время, если одновременно с медиатором, активирующим каналы, действует возбуждающий медиатор, то деполяризующий потенциал, возникающий под действием последнего, будет уменьшаться (рис. 6-25, B). Таким образом, основной эффект активации тормозных постсинаптических каналов заключается в том, что возбуждающие токи как бы "закорачиваются" из-за того, что положительные заряды, входящие в клетку по возбуждающим каналам, будут выходить из нее по тормозным каналам, а не накапливаться в ней и не деполяризо-вывать клетку до порогового уровня.

Разумеется, никакой медиатор не может быть сам по себе исключительно "возбуждающим" или "тормозным". Так, в двигательных концевых пластинках и симпатических ганглиях позвоночных животных АцХ выполняет функцию возбуждающего медиатора-под его действием преимущественно увеличивается натриевая и калиевая проводимости постсинаптической мембраны. Напротив, в парасимпатических окончаниях сердца и внутренних органов он активирует калиевые или хлорные каналы и играет уже роль тормозного медиатора. Именно ионная проницаемость каналов, активируемых медиатором, определяет, какой постсинаптический ток будет возникать в ответ на выделение этого медиатора из пресинаптических окончаний. Потенциал реверсии постсинаптического потенциала зависит от относительных ионных проницаемостей каналов и, разумеется, от электрохимических градиентов для проникающих ионов. Значит, именно эти факторы в каждом случае определяют, какое действие будет

оказывать тот или иной медиаторвозбуждающее или тормозное.

Из всего этого следует, что если в естественных условиях какой-либо медиатор оказывает на ту или иную клетку тормозный эффект, то этот эффект можно сделать возбуждающим, если в эксперименте вызвать перераспределение соответствующих ионных градиентов по разные стороны постсинаптической мембраны. Это было показано на нейронах улитки и спинного мозга позвоночных. В естественных условиях при действии АцХ на некоторые нейроны улитки увеличивается хлорная проницаемость постсинаптической мембраны. В одних таких нейронах (Н-клетки, или гиперполяризующиеся клетки) внутриклеточная концентрация СГ сравнительно мала, и поэтому ЕCl более отрицателен, чем потенциал покоя. При этом медиатор нервных окончаний АцХ, действуя на Н-клетки, вызывает открывание хлорных каналов, Сl- поступает в клетку и мембранный потенциал смещается к ECl. В результате возникает гиперполяризация (рис. 6-26, А). Если же заменить во внеклеточной среде ионы хлора на ионы сульфата, не проходящие через хлорные каналы, то под действием АцХ будет происходить уже выход СГ, поскольку электрохимический градиент для этого иона будет направлен наружу. Выход отрицательных зарядов приведет к деполяризации клетки, и частота ПД увеличится (рис. 6-26, Б). Иными словами, АцХ, являющийся в нормальных условиях для этих клеток тормозным медиатором, будет вызывать их возбуждение, если электрохимический градиент для ионов Сl- изменит свой знак на противоположный1.

185

Рис. 6.26.

Влияние ионных градиентов на характер ответа постсинаптической мембраны на действие медиатора. А. Ацетилхолин, апплицируемый на Н-клетки нервной системы

улитки, активирует хлорные каналы. Ионы Сl- перемещаются по концентрационному градиенту в клетку, и возникает гиперполяризация. Б. Если

заменить во внеклеточной среде Сl- на SO2-4 , то направление тока, а

следовательно, и изменение потенциала, станет противоположным: ионы СГ будут уже выходить из клетки. Записи, приведенные справа, показывают, как влияет такая

замена на импулъсацию нейрона. (Kerkut, Thomas, 1964 ) 186

1Интересно, что в других типах нейронов улитки (D-клетки, или деполяризующиеся клетки) в

естественных условиях поддерживается высокая внутриклеточная концентрация Сl- путем активного

транспорта этих ионов. В этих клетках АцХ также вызывает увеличение проницаемости для Сl-, но, поскольку электрохимический градиент для этого иона у них направлен наружу, они в ответ на действие медиатора деполяризуются.

184 :: 185 :: 186 :: Содержание

186 :: Содержание

6.6.6. Пресинаптическое торможение

В основе еще одной разновидности торможения нейронов лежит выделение тормозного медиатора из окончания, расположенного на пресинаптическом окончании возбуждающего аксона (рис. 6-27). В этом случае Пресинаптическое возбуждающее окончание служит постсинаптической структурой для тормозного окончания. При таком пресинаптическом торможении не подавляется действие возбуждающего медиатора на постсинаптическом уровне, но снижается количество этого медиатора, выделяющегося из возбуждающего окончания. В ряде случаев при пресинаптическом торможении медиатор повышает проницаемость мембраны возбуждающего пресинаптического окончания для К+ или Сl-, в результате чего уменьшается амплитуда ПД, поступающего в это окончание, и, следовательно, количество выделяемого им медиатора. Появляется также все больше данных о том, что во многих случаях при пресинаптическом торможении тормоз-ный медиатор блокирует или инактивирует пресинаптические кальциевые каналы и они становятся менее чувствительными к деполяризации. Поскольку же выделение медиатора связано с поступлением Са2+ в окончания (разд. 6.6), уменьшение количества этого иона сопровождается снижением уровня высвобождающегося медиатора. Однако независимо от конкретных механизмов Пресинаптическое торможение сводится к тому, что на постсинаптическую (для возбуждающего окончания) клетку действует меньшее количество медиатора и постсинаптический потенциал становится меньше.

Пресинаптическое торможение было обнаружено у многих животных. Его значение для интегратив-ной деятельности ЦНС позвоночных мы рассмотрим позже. Кроме того, оно выявлено в нервно-мышечном соединении ракообразных (рис. 6-27), где ветвления аксонов, образующих тормозные окончания на мышечных волокнах, посылают также веточки к окончаниям возбуждающих аксонов.

186

186 :: Содержание

186 :: 187 :: Содержание

187 :: 188 :: 189 :: Содержание

6.7.1. АцХ-активируемый канал

Выделить, идентифицировать и изучить то вещество, которое связывает медиатор и при этом вызывает открывание ионного канала, отнюдь не просто. Дело в том, что таких воротных молекул по сравнению с общим числом белковых молекул в мембране довольно мало. В решении этой проблемы ученым помогли два случайных обстоятельства. Во-первых, оказалось, что на поверхности электрических пластинок (составных частей мощных электрических органов некоторых пластиножаберных и костистых рыб, представленных плоскими клетками, которые развиваются в эмбриональном периоде из мышечной ткани) имеется большое количество никотинчувствительных АцХ-рецепторов. Эти рецепторы удалось выделить химическими методами и получить их в достаточно большом количестве. Вовторых, было обнаружено вещество а-бунгаро-токсин (дополнение 6-3), обладающее способностью необратимо связываться с АцХ-рецептором. Пометив его радиоактивной меткой, удалось локализовать, идентифицировать и выделить АцХ-рецептор. Биохимическое выделение АдХ-рецептора показало, что он идентичен каналу, активируемому АцХ, вернее, рецептор, с которым связывается молекула АцХ, представляет собой составную часть этого канала.

АцХ-активируемый канал образован пятью белковыми субъединицами. Две из них - α-субъединицы - идентичны, а остальные три - β-, γ- и δ-субъединицы- различаются (рис. 6-28). Их мол. масса варьирует от 40000 до 65000, а в целом они образуют трубчатую структуру с общей мол. массой около 250000. Эти данные хорошо согласуются с размерами каналообразных структур, которые (по результатам электронно-микроскопических исследований) пронизывают мембрану. Каналы выступают из мембраны с обеих сторон, причем над наружной ее поверхностью возвышается воронкообразная структура, образующая вход в канал.

Рецепторный участок канала располагается на наружной поверхности мембраны. Впервые это было показано в опытах, в которых введение АцХ в мышцу рядом с концевой пластинкой не вызывало каких-либо изменений потенциала. Сначала было неясно, какая именно молекула или молекулы связывают АцХ, т.е. служат холинорецептором АцХ-активируемого канала. Теперь известно, что каждая из двух α-субъединиц канала содержит участок связывания АцХ. Если к обоим этим участкам присоединяется лиганд (АцХ или какой-либо его агонист, например карбахолин или никотин), то канал с высокой вероятностью переходит из закрытого состояния в открытое. Этот воротный процесс лучше всего изучен на мышцах лягушки, в двигательных концевых пластинках которых располагаются АцХ-активируемые каналы (см. рис. 6-18). Как мы уже говорили, постсинаптические каналы двигательной концевой пластинки скелетных мышц лягушки при активации ацетилхолином становятся проницаемыми как для К+, так и для Na+ . При этом возникает

входящий ток, потенциал реверсии для которого составляет около -10 мВ. В норме эти каналы и связанные с ними АцХ-рецепторы располагаются только в постсинаптической мембране концевой пластинки. По оценкам плотность АцХактивируемых каналов в этой области равна примерно 104/мкм2.

187

Рис. 6.28. Реконструкция канала ацетилхолинового

рецептора (никотинчувствительного) по данным электронной микроскопии и дифракции рентгеновских лучей. А. Канал, состоящий из пяти субъединиц, пронизывает липидный бислой и возвышается над обеими поверхностями мембраны. Вход в канал представляет собой широкое воронкообразное углубление, постепенно сужающееся и переходящее в конце концов в селективный фильтр. Б. Вид на канал сверху. Изображено пять субъединиц в их предполагаемом взаимном расположении. Особый интерес представляют а-субъединицы, поскольку именно на них локализованы два участка связывания двух молекул АцХ; это связывание и приводит к активации канала. (Из работы Kistler et al, 1982, с изменениями.)

Если денервировать мышцу, перерезав двигательный нерв, то зона чувствительности к АцХ будет постепенно распространяться от области концевой пластинки и охватит большую часть или даже все мышечное волокно. Значит, рецепторы и каналы, которые в норме сосредоточены лишь вблизи концевой пластинки, каким-то образом появляются во внесинаптических участках. В естественных условиях эти вне синоптические АцХ-рецепторы (т.е. каналы) блокированы, причем блокирование частично связано с мало изученным трофическим влиянием мотонейронов, иынервирующих мышечные клетки, а частично-с электрической и сократительной активностью таких иннервированных клеток. Если двигательное волокно регенерирует и реиннерви-рует мышцу, внесинаптические рецепторы исчезают и

чувствительность к АцХ вновь начинает проявляться лишь в области синапса (концевой пластинки).

Такое "рассеянное" распределение внесинаптических АцХ-активируемых каналов, проявляющееся после денервации мышцы лягушки, исследовали Эрвин Неер и Берт Сакман (1976), изучавшие воротные процессы. Авторы использовали разработанный ими метод локальной фиксации (см. рис. 5-28, А). Для того чтобы увеличить движущую силу для входящего тока, на мышечном волокне фиксировали гиперполяризующий мембранный потенциал. Микропипетку с оплавленным кончиком (диаметр отверстия 10 мкм2) заполняли раствором Рингера, содержащим АцХ или один из его агонистов (т.е. веществом, оказывающим сходное действие) в низкой концентрации, и подсоединяли ее к высокочувствительному усилителю тока, обладающему низким уровнем шумов (рис. 6-29, А). Когда такую пипетку плотно прижимали к поверхности денерви-рованного мышечного волокна, усилитель регистрировал очень небольшие (менее 5·10-12 А) кратковременные входящие токи (рис. 6-29, Б). Эти токи возникали в результате временного открывания каналов, активируемых АцХ (или его агонистом). В этом опыте Неер и Сакман впервые в истории записали токи через одиночные каналы в биологической мембране. Это были первые прямые данные о том, что ионные токи текут через мембрану по дискретным каналам с воротными устройствами, а не с помощью каких-либо других механизмов, например при участии молекул-переносчиков.

Важная особенность такого рода токов через одиночные каналы заключается в том, что они имеют вид более или менее прямоугольных импульсов (скачкообразно возникают и прекращаются), т.е. подчиняются закону "все или ничего". Именно так должны вести себя каналы, которые могут находиться лишь в одном из двух состояний-полностью открытом или полностью закрытом. Более того, если электрохимические градиенты не изменяются, то токи через одиночные АцХ-активируе-мые каналы по величине примерно одинаковы. Следовательно, проводимость всех этих каналов также одинакова. Если в участке под микропипеткой одновременно открываются два или несколько каналов, то одиночные токи через каждый из этих каналов суммируются и в результате регистрируется ток, в два (или три и более) раза превышающий одиночный ток. Частота возникновения таких токов

188

пропорциональна концентрации АцХ или его агониста в растворе, содержащемся в микропипетке; если же эти вещества в растворе отсутствуют, то токи не регистрируются: Из величины одиночного тока была рассчитана проводимость отдельного канала в открытом состоянии; она оказалась равной около 2·10-11 См, что соответствует сопротивлению 5·1010Ом.

После этих первых работ по локальной фиксации, проведенных Неером и Сакманом, появилось множество других исследований, в которых методами регистрации токов через одиночные каналы был детально изучен как АцХактивируемый канал, так и многие другие хемочувствительные

постсинаптические каналы. Статистический анализ одиночных токов показал, что каналы случайным образом изменяют свое состояние (флуктуируют), переходя из нескольких закрытых состояний в по меньшей мере одно открытое. Очевидно, связывание молекулы агониста с рецептором закрытого канала резко увеличивает вероятность его перехода в открытое состояние, когда ионы в течение короткого промежутка времени могут переходить через данный канал. Далее либо канал временно спонтанно переходит в закрытое состояние, либо молекула агониста отсоединяется от рецептора, и канал снова закрывается и находится в этом состоянии до тех пор, пока агонист вновь не свяжется рецептором.

Рис. 6.29.

Токи, текущие через одиночный АцХ-активируемый канал. Использовали препарат денервировашюй мышцы лягушки и метод локальной фиксации. А. Методом фиксации потенциала на мембранном волокне создавали гиперполяризующий потенциал ( - 120мВ). Микропипетка для локальной фиксации была заполнена

раствором Рингера, содержащим агонист АцХ суберилхолин (2·10-7М). Б. Запись кратковременных входящих токов, регистрируемых с помощью микропипетки, плотно прижатой к мембране. Токи текут через АцХ-активируемые каналы, открывающиеся при связывании с рецепторами агониста АцХ. (Neher, Sakmann, 1976.)

Такого рода синаптическая активация, при которой медиатор увеличивает вероятность перехода постсинаптического канала в открытое состояние, распространена наиболее широко. Мы лишь вкратце отметим, что известно несколько синапсов, в которых медиатор, напротив, снижает вероятность открывания канала. Так, в нейронах морского зайца Aplysia californica медиатор серотонин (5-гидрокси-триптамин, 5-ГТ) вызывает закрывание определенных калиевых каналов. Подобного рода снижение ионной проницаемости при синаптической активации было обнаружено и в некоторых нейронах вегетативных ганглиев позвоночных. В то же время такой механизм, очевидно,

встречается гораздо реже, чем механизм с увеличением ионной проницаемости. Недавно были получены данные, свидетельствующие о том, что уменьшение проницаемости постсинаптических каналов при связывании медиатора с рецептором обусловлено внутриклеточными переносчиками типа циклического адено-зин-3'-5'-монофосфата (сАМР; разд. 9.2.1).

189

187 :: 188 :: 189 :: Содержание

189 :: 190 :: Содержание

6.8. Выделение медиаторов пресинаптическими окончаниями

Эффективность синаптической передачи зависит от выделения медиатора из пресинаптического окончания. В самом деле, величина постсинаптического потенциала определяется числом молекул медиатора, высвобождаемых в синаптическую щель. Значит, для того чтобы разобраться в механизме синаптической передачи, необходимо выяснить, каким образом происходит высвобождение медиатора из синаптического окончания. Этот вопрос важен не только сам по себе как одна из проблем физиологии; помимо этого история изучения механизма выделения медиатора дает нам немало ярких примеров успешной разработки научной методологии и экспериментальных подходов. Одним из наиболее выдающихся примеров такого рода служит доказательство того, что медиаторы обычно выделяются квантами. Этому и будет посвящен следующий раздел.

189

Рис. 6.30. Спонтанные миниатюрные потенциалы концевой пластинки (МПКП), записанные от области двигательной концевой пластинки волокна скелетной мышцы. Видно, что амплитуда МПКП невелика и непостоянна.

190

189 :: 190 :: Содержание

медиатора, высвобождаемых в ответ на поступление к пресинаптическому окончанию ПД; по отдельности же каждый такой квант вызывает одиночный спонтанный МПКП. Исходя из амплитуды ПКП в мышце лягушки можно сделать вывод, что этот потенциал возникает при одновременном выделении 100-300 квантов ацетилхолина.

При охлаждении нервно-мышечного препарата и соответствующем замедлении высвобождения медиатора из нервного окончания кванты медиатора выделялись не одновременно; при этом фаза нарастания ПКП становилась ступенчатой. Каждая такая ступенька, очевидно, соответствовала отдельному кванту медиатора. Это также свидетельствовало о том, что ПКП формируется в результате суммации эффектов множества квантов медиатора, действующих в нормальных условиях одновременно. Так возникли представления о квантовом выделении медиаторов. Далее Катц и его сотрудники задали себе простой, прямой, но важный вопрос: что же физически представляет собой один квант медиатора, соответствует ли он одной молекуле АцХ, и если нет, то какому количеству этих молекул? Если бы спонтанные МПКП были обусловлены действием одиночных молекул АцХ, "просачивающихся" из пресинаптического окончания, то добавление в среду, где находится препарат, ацетилхолина до очень низкой концентрации вызвало бы резкое увеличение числа МПКП. Катц с сотрудниками использовали вначале крайне низкие

190

концентрации АцХ и постепенно повышали их. Однако при этом они ни разу не зарегистрировали увеличение числа МПКП, а по мере увеличения концентрации АцХ наблюдали плавно нарастающую деполяризацию. Из этого они заключили, что МПКП не возникают в ответ на действие отдельных молекул АцХ. По их расчетам, каждый МПКП соответствует выбросу кванта медиатора, состоящего из 10000-40000 молекул АцХ, и при этом активируется около 2000 постсинаптических каналов. Примерно в это же время (50-е годы) методами электронной микроскопии в пресинаптических окончаниях были обнаружены пузырьки (разд. 6.6.1)-структуры, в которых могли содержаться кванты медиатора. Тем самым квантовая теория выделения медиаторов получила морфологическое обоснование. Это позволило сформулировать представление о том, что выброс медиатора, содержащегося в пресинаптических пузырьках, путем экзоцитоза (рис. 6-32) вызывает как МПКП (при экзоцитозе одиночных пузырьков), так и обычный ПКП (выброс содержимого многих пузырьков). Сегодня получено множество разнообразных данных в пользу такой точки зрения. Так, измерение емкости мембраны показало, что при экзоцитозе она увеличивается, поскольку в результате слияния пузырьков с мембраной ее площадь возрастает.

Рис. 6.31.

Выделение медиаторов в двигательной концевой пластинке, А. Нервно-мышечный

препарат помещен в раствор с низким содержанием Са2+. В таком растворе количество медиатора, высвобождаемого при возбуждении двигательного нервного окончания, уменьшается, а амплитуда ПКП варьирует. Б. Вверху: частота возникновения одиночных спонтанных МПКП разной амплитуды (вертикальные столбики), записанных в течение определенного промежутка времени. Внизу: частота возникновения МПКП разной амплитуды, вызванных раздражением двигательного нерва. Видно, что во многих случаях наблюдается "выпадение" МПКП. Для большей части вызванных ПКП (внизу) распределение по амплитудам такое же, как и для одиночных спонтанных МПКП (вверху). Огибающие кривые соответствуют теоретическому распределению Пуассона, полученному в предположении, что вызванные МПКП складываются из одиночных спонтанных МПКП. (Del Castillo, Katz, 1954.)

Квантовое выделение медиатора в двигательной концевой пластинке лягушки было подвергнуто тщательному статистическому анализу. При этом оказалось, что лишь определенная часть из всего количества пузырьков, содержащихся в нервном окончании, может непосредственно опорожняться в ответ на поступление в это окончание ПД. При определенных физиологических условиях (концентрации Са2+ и Mg2+, температуре и т. д.) существует некая вероятность того, что какой-либо из этих "готовых"

Рис. 6.32. Экзоцитоз синоптических пузырьков с медиатором. Пузырьки сливаются с плазматической мембраной и выбрасывают свое содержимое в синоптическую щель. Медиатор диффундирует к постсинаптической мембране и связывается с расположенными на ней рецепторами. (Eccles, 1965.)

191

пузырьков выбросит свое содержимое в синаптическую щель. При снижении концентрации Са2+ во внеклеточной среде этот ион поступает в волокно в меньшем количестве и вероятность опорожнения пузырьков падает. Если эта вероятность будет достаточно низкой, возникнет ситуация, приведенная на рис. 6-31: раздражение пресинаптического волокна будет сопровождаться множественными "выпадениями" (т.е. пузырьки не будут опорожняться вовсе) или выбросом содержимого лишь одного, двух или нескольких пузырьков. При этом возникнут ПКП, амплитуды которых будут соответствовать величине одного, двух, трех и т.д. МПКП. Таким образом, уменьшая концентрацию Са 2+ во внеклеточной среде, можно добиться того, что на одиночный ПД будет выделяться не 200-300 квантов, как в норме, а 0, 1, 2, 3 и т. д. При этом можно будет рассчитать, какое количество пузырьков опорожняется в ответ на одиночный стимул, подать большое количество таких стимулов и произвести статистический анализ полученных данных. В результате такого анализа было показано, что вероятность опорожнения пузырьков подчиняется типичному для случайных событий пуассоновскому распределению (рис. 6-31).

192

190 :: 191 :: 192 :: Содержание

192 :: 193 :: Содержание

6.8.2. Электросекреторное сопряжение

В соответствии с квантовой теорией выделения медиаторов, если мембранный потенциал пресинаптического окончания равен потенциалу покоя, вероятность того, что тот или иной пузырек в тот или иной момент времени подвергнется экзоцитозу и его содержимое высвободится в синаптическую щель, довольно мала. Действительно, спонтанное опорожнение пузырьков происходит редко и случайным образом, однако при деполяризации пресинаптической мембраны вероятность выброса квантов медиатора резко возрастает. В этом можно убедиться на примере увеличения частоты МПКП при постепенной деполяризации мембраны (рис. 6-33).

Влияние мембранного потенциала пресинаптического окончания на выделение медиатора было исследовано Бернардом Катцем и Рикардо Миледи на сверхкрупном синапсе гигантского аксона кальмара (рис. 6-34). Благодаря большим размерам этого синапса можно было ввести микроэлектроды как в пресинаптическое окончание, так и в постсинаптическую клетку рядом с синаптической областью. Это позволяло одновременно подавать ток и регистрировать мембранный потенциал, что на большинстве других синапсов осуществить было невозможно из-за малых размеров пресинаптических окончаний. Активация натриевых каналов в этих опытах подавлялась тетродотоксином (разд. 5.6.4), а калиевых-ТЭА (разд. 5.6.5). Благодаря этому при деполяризации пресинаптической мембраны не возникал ПД (рис. 6-34). С помощью третьего микроэлектрода записывались постсинаптические потенциалы, служащие высокочувствительным "микрохимическим датчиком" медиатора, выбрасывающегося пресинаптическим окончанием. В этих опытах были получены следующие результаты (рис. 6-34, Б и В).

Рис. 6.33. Увеличение частоты МПКП под действием

электрического раздражителя. При деполяризации пресинаптического окончания, возникающей при подаче импульса тока (внизу), вероятность высвобождения медиатора увеличивается. Об этом свидетельствует возрастание частоты МПКП (вверху). (Katz, Miledi, 1967.)

1.Деполяризация пресинаптической мембраны приводила к выделению медиатора (о чем свидетельствовала деполяризация постсинаптической мембраны), хотя естественный механизм запуска этого выделения-ПД-был подавлен.

2.Амплитуда постсинаптического потенциала (пропорциональная количеству выделившегося медиатора) увеличивалась при повышении степени деполяризации пресинаптической мембраны.

3.При данном уровне деполяризации пресинаптической мембраны постсинаптический потенциал был меньше, если концентрация кальция во

внеклеточной среде снижалась.

Когда пресинаптическое окончание деполяризовалось до уровня кальциевого равновесного потенциала EСа, поступление в это окончание Са2+ по соответствующим каналам прекращалось. В этих условиях выделение медиатора не происходило и восстановить его можно было, лишь скачкообразно изменив мембранный потенциал от ЕСa до уровня покоя. При этом для ионов Са2+ возникал высокий электрохимический градиент, и они успевали создать кратковременный входящий ток до того, как кальциевые каналы в ответ на реполяризацию закрывались.

Связь между входом Са2+ и выделением медиатора была продемонстрирована на гигантском синапсе аксона кальмара методом регистрации люминесценции экворина - кальцийчувствительного белка, экстрагируемого из тканей медузы. Этот белок вводили в пресинаптическое окончание, записывали пре- и постсинаптические мембранные потенциалы и регистрировали люминесценцию экворина в ответ на связывание его с входящим в пресинаптическое окончание Са 2+ (рис. 6-35). В том случае, если в пресинаптическое волокно подавался деполяризующий ток, постсинаптические потенциалы регистрировались лишь тогда, когда одновременно

192

наблюдалась люминесценция экворина, свидетельствующая о входе Са 2+ в пресинаптическое волокно.

В пользу того, что для выделения медиатора из пресинаптического волокна нервно-мышечного синапса под действием потенциала действия необходим Са2+ , говорит тот факт, что в условиях, когда вход этого иона в волокно затруднен (например, при низкой концентрации Са2+ или наличии конкурирующих ионов типа Mg2+ или La2+ во внеклеточной среде), выход медиатора подавляется. Наконец, показано, что медиатор выбрасывается из пресинаптического окончания гигантского синапса кальмара в ответ на микроинъекции в это волокно ионов Са2+.

Итак, все эти факты говорят о том, что для выделения из пресинаптического окончания медиатора необходимы ионы Са 2+, входящие в это окончание в момент пробегания по нему нервного импульса. Полагают, что внутриклеточный Са2+ участвует в слиянии синаптических пузырьков с внутренней поверхностью клеточной мембраны нервного окончания или в каких-то еще стадиях экзоцитоза. Недавно был найден еще один ключ к разгадке роли Са2+ в экзоцитозе синаптических пузырьков: оказалось, что этот процесс стимулируется агентами, усиливающими активность фосфори-лирующего фермента -протеинкиназы С (разд. 9.3). С другой стороны, известно, что ионы Са2+ также активируют этот фермент. Значит, один из возможных способов участия Са2+ в процессе экзоцитоза может состоять в облегчении

фосфорилирования некоего белка, необходимого (в фосфорилированном состоянии) для запуска этого процесса.

Рис. 6.34.

Взаимосвязь между деполяризацией пресинаптического окончания и выделением медиатора в гигантском синапсе кальмара. А. Деполяризация мембраны пресинаптического волокна при импульсном введении тока через внутриклеточный микроэлектрод. Б. Запись пре- и постсинаптических потенциалов с помощью двух регистрирующих микроэлектродов. Амплитуда импульса, вызывающего деполяризацию пресинаптического окончания, возрастает от а тс в. В. При данной

концентрации Са2+ во внеклеточной среде увеличение степени деполяризации пресинаптической мембраны приводит к повышению выделения медиатора и,

следовательно, амплитуды постсинаптического потенциала. Снижение [Сa 2+] сопровождается уменьшением этого потенциала. (Katz, Miledi, 1966, 1970.)

Данные, полученные с применением разнообразных подходов на различных синапсах (в том числе на нервно-мышечном соединении лягушки и гигантском аксоне кальмара), свидетельствуют о том, что выделение медиатора может запускаться в том случае, когда с каждым рецепторным участком связывается более одного иона Са2+. Дело в том, что этот выход медиатора пропорционален числу ионов кальция, поступающих в окончание, в степени п (где п в зависимости от ткани может достигать 4). Иными словами, если п = 4 (как, например, в нервно-мышечном соединении лягушки), то при повышении [Са2+]; вдвое выход медиатора увеличивается в 16 раз (2 4 = 16), при повышении [Ca2+]i втрое - в 81 раз (34 - 81) и т. д. Значит, можно представить себе, что для инициации экзоцитоза с некоей молекулой в пресинаптическом окончании должны связаться до четырех ионов кальция. Что это за молекула - пока неясно.

193

192 :: 193 :: Содержание

193 :: 194 :: 195 :: Содержание

6.9. Синаптическая интеграция

Процессы обработки сигналов нервной системой получили общее название нервной интеграции. "Интегрировать" в данном контексте означает "объединять в единое целое". На уровне одиночных нервных клеток интеграция сводится к тому, что эти клетки отвечают на поступление информации по различным синаптическим входам тем, что либо

193

Pиc. 6.35.

Роль Ca2+ в электросекреторном сопряжении. В данном эксперименте натриевые и калиевые каналы гигантского синапса кальмара блокировали соответственно ТТХ и ТЭА. В Пресинаптическое волокно вводили калъцийчувствителъное вещество экворин и подавали деполяризующий импульс тока. С помощью микроэлектродов записывали пре- и постсинаптические потенциалы. В правой части рисунка представлена реакция на раздражение пресинаптического волокна слабым и сильным токами. Нарастание постсинаптического потенциала, вызываемого, очевидно, выделением медиатора, совпадает с увеличением интенсивности люминесценции экворина в пресинаптическом окончании; это свидетельствует о

входе в окончание ионов Са2+. (Из работы blinds, Nicholson, 1975.)

вырабатывают распространяющиеся импульсы, либо нет. Иными словами, в каждом нейроне интегрируются поступающие к нему возбуждающие и тормозные синаптические сигналы. Эти процессы в значительной степени зависят от пассивных электрических свойств участков нейрона, расположенных между областью синапсов и зоной генерации ПД. Кроме того, величины порога

раздражения и частоты импульсации, возникающей в ответ на данный деполяризующий синаптический потенциал, зависят от плотности и чувствительности натриевых и калиевых каналов.

Многое из того, что мы знаем о нервной интеграции, было получено в опытах на а-мотонейронах (рис. 6-36)-крупных нейронах, тела которых лежат в передних рогах спинного мозга. Отростки этих нейронов иннервируют группировки из нескольких волокон скелетных мышц. На дендритах и телах мотонейронов оканчиваются тысячи тормозных и возбуждающих синаптических терминалей. От того, какой будет частота импульсации (т.е. число импульсов в секунду) мотонейрона в ответ на возбуждение того или иного синапса, зависит сила сокращения иннервируемой им группы мышечных волокон (так называемой двигательной единицы). Вся интегративная деятельность мотонейрона сводится к генерации ПД (т.е. возбуждению) или подавлению этой генерации (т.е. торможению). Поскольку только с помощью ПД нервные сигналы могут распространяться на расстояние, большее нескольких миллиметров, лишь те синаптические потенциалы, которые могут привести к генерации ПД, способны вызвать сокращение функциональной единицы, иннервируемой мотонейроном. Если же

194

Рис. 636. α-Мотонейрон переднего рога серого вещества спинного мозга, который входит в состав двухсинаптической рефлекторной дуги. Болевой раздражитель, воздействующий на кожу, через вставочный нейрон вызывает возбуждение мотонейрона; это в свою очередь приводит к сокращению соответствующей двигательной единицы, т. е. группы мышечных волокон, которую иннервирует данный мотонейрон.

возбуждающие потенциалы не достигают порогового уровня-либо в одиночку, либо при суммации с другими сигналами, - то они не вызовут никакой реакции и фактически будут игнорироваться.

195

193 :: 194 :: 195 :: Содержание

195 :: 196 :: 197 :: 198 :: 199 :: Содержание

6.9.1. Суммация

Зоной генерации потенциалов действия в мотонейроне служит начальный сегмент аксона, расположенный непосредственно за аксонным холмиком (см. рис. 6-2). Этот участок чувствителен к деполяризации и обладает более низким пороговым уровнем возбуждения, чем тело и дендриты нейрона (рис. 6-37). Возможно, здесь наиболее высока плотность натриевых каналов. Как бы то ни было, именно в этой области впервые возникают нервные импульсы. Значит, для того чтобы вызвать возбуждение, синаптический ток должен выйти через мембрану этого участка и деполяризовать ее до порогового уровня.

На каждом мотонейроне имеется несколько тысяч синаптических окончаний. Каким же образом отдельные синаптические входы влияют на импульсацию мотонейрона? Дело в том, что синаптические токи электротонически распространяются от синапсов, расположенных на дендритах и соме, в соответствии с кабельными свойствами нейрона. Как видно из рис. 6- 37, по мере распространения синаптических потенциалов от области их возникновения к зоне генерации импульса эти потенциалы становятся все меньше. Из-за такого угасания, неизбежного при распространении нерегенеративных электрических сигналов по клеточным отросткам (см. рис. 6- 20), синаптический ток, возникший в окончании длинного тонкого дендрита, будет уменьшаться существенно больше, а значит, оказывать гораздо меньшее влияние на зону генерации ПД, чем ток, зародившийся в теле клетки рядом с аксонным холмиком. Отсюда ясно, что кабельные свойства нейрона (разд. 6.2) играют важную роль в суммации синаптических токов, возникающих в различных его участках. Плотность расположения тормозных синапсов обычно наиболее высока близ аксонного холмика - именно это позволяет им наиболее эффективно препятствовать деполяризации до порогового уровня зоны генерации импульсов под действием возбуждающих синаптических токов.

Для изучения интегративных свойств мотонейронов выделяют несколько сегментов спинного мозга анестезированной лягушки. При этом микроэлектрод погружают в передние рога серого вещества спинного мозга и вводят в тело одиночного мотонейрона. Небольшие пучки афферентных отростков, выделенных из заднего корешка, подсоединяют к раздражающим электродам из серебряной проволоки, и это позволяет-в зависимости от целей эксперимента - вызывать импульсацию либо в возбуждающих, либо в тормозных волокнах1.

Если пресинаптические волокна не раздражаются, регистрирующий электрод, введенный в тело мотонейрона, записывает случайно возникающие синаптические потенциалы. Большая часть из них обусловлена импульсной активностью пресинаптических нейронов, не зависящей от действий экспериментатора. Такая активность вызывает "спонтанные" синаптические потенциалы амплитудой около 1 мВ, в чем-то напоминающие МПКП двигательной концевой пластинки нервно-мышечного соединения (см. рис. 6-

30). Если раздражать одиночное

Каким будет волокно-возбуждающим или тормозным-зависит от того, какой оно выделяет медиатор и как в ответ на действие этого медиатора изменяется ионная проводимость постсинаптической мембраны.

195

Рис. 6.37. Пространственное

затухание синоптического потенциала и генерация потенциала действия. Возбуждающие синаптические потенциалы, возникающие в дендрите, распространяются по нейрону электротонически и с расстоянием затухают. Порог генерации ПД (сплошная черная кривая) зависит от плотности натриевых каналов (цветные точки). В связи с этим, хотя синаптический потенциал (он изображен в верхней части рисунка) и затухает по мере распространения от дендрита к аксону, ПД все же возникает в области аксонного холмика, или в так называемой зоне генерации импульса (эта зона соответствует первому перехвату Ринвье). Именно здесь плотность натриевых каналов наиболее высока, а пороговый уровень деполяризации наиболее низок. Цветные пунктирные кривые иллюстрируют динамику синаптического потенциала, которая наблюдалась бы, если бы ПД был блокирован.

пресинаптическое возбуждающее волокно, то можно убедиться в том7 что в ответ на ПД, поступающий в пресинаптическое окончание, из этого волокна выделяется лишь один или несколько квантов медиатора. В этом отношении возбуждающие синаптические окончания на мотонейронах отличаются от нервно-мышечного соединения скелетной мышцы позвоночных - в этом соединении в ответ на поступление одиночного ПД в пресинаптическое окончание мотонейрона выделяется около 100-300 квантов (разд. 6.8.1), что вызывает ПКП амплитудой 60 мВ или более. Напротив, при поступлении ПД в синаптическое окончание на мотонейроне выделяется такое количество медиатора, которое деполяризует этот мотонейрон лишь примерно на 1 мВ. Для сдвига же мембранного потенциала до критического уровня нужна гораздо большая деполяризация.

Столь малый вклад одиночного синаптического окончания в возбуждение мотонейрона играет большую роль в его интегративной деятельности. Если нервно-мышечный синапс позвоночных работает как реле, передающее сигналы один к одному (т. е. в ответ на каждый пресинаптический импульс возникает ПД в постсинаптической мембране), то в мотонейроне для того, чтобы синаптические потенциалы достигли критического уровня генерации ПД, необходима более или менее синхронная активация многих возбуждающих синапсов. Иными словами, "решение" о том, генерировать или нет потенциал действия, принимается в ответ на активацию целой популяции пресинаптических окончаний. Такое "демократичное" поведение мотонейрона предотвращает его возбуждение под действием единственного сигнала или спонтанной активности и-что еще важнее-создает условия для того, чтобы исходящая

196

от него импульсация зависела от интеграции активности различных входов - как возбуждающих, так и тормозных.

По мере увеличения силы тока, подаваемого на пресинаптические волокна дорсального корешка, происходит так называемое вовлечение все большего числа возбуждающих окончаний. Поскольку в данном случае они разряжаются одновременно, общее количество выделяемого ими медиатора также увеличивается, и в результате возникает больший постсинаптический потенциал (рис. 6-38). Такое увеличение деполяризации, связанное со сложением токов,

мотонейроне будут активироваться через короткие промежутки времени, то будет наблюдаться и пространственная, и временная суммации.

Оба этих вида суммации зависят от пассивных электрических свойств нейронов. Пространственная суммация связана с тем, что синаптические токи, возникающие одновременно в разных синапсах, электротонически распространяются к зоне генерации импульса и складываются в этой зоне (рис. 6-37). Что же касается временной суммации, то для того, чтобы она произошла, синаптические токи не обязательно должны складываться; суммация может наблюдаться даже в том случае, если эти токи не перекрываются во времени (рис. 6-40). Такая особенность обусловлена тем, что процессы, протекающие в мембране, характеризуются определенной постоянной времени (разд. 5.2.3). Дело в том, что с первым синаптическим током в мембрану входят положительные заряды и частично снижают ее отрицательный потенциал покоя. Поскольку мембрана обладает сопротивлением и емкостью, эти вошедшие положительные заряды вытекают из клетки (через калиевые каналы) медленно, и поэтому после прекращения синаптического тока потенциал еще некоторое время возвращается к уровню покоя. Значит, синаптический потенциал "длится" намного дольше, чем синаптический ток, и поэтому в том случае, когда до "окончания" первого синаптического потенциала возникает второй синаптический ток, он вызывает очередной деполяризующий потенциал, складывающийся с нисходящей фазой первого потенциала (хотя, повторяем, сами токи при этом перекрываться во времени не будут). Таким образом, благодаря способности мембраны накапливать заряды (т.е. благодаря ее емкостным свойствам) может осуществляться как бы "следовое" взаимодействие коротких синаптических токов, не совпадающих во времени. Чем больше при этом будет постоянная времени мембраны, тем медленнее будут угасать синаптические потенциалы и тем эффективнее будет происходить временная суммация потенциалов, возникающих при возбуждении разных синапсов. В мотонейронах спинного мозга постоянная времени мембраны составляет около 10 мс, а в других нейронах может колебаться от 1 до 100 мс.

В естественных условиях в мотонейронах практически всегда наблюдается электрическая активность - синаптический шум (нерегулярные колебания мембранного потенциала), обусловленный фоновой импульсацией пресинаптических нейронов. Этот шум проявляется как постоянные нерегулярные колебания мембранного потенциала. В тех случаях, когда суммарная активность возбуждающих синаптических входов оказывается достаточно мощной, в мотонейроне возникают периодические ПД. Эти ПД в свою очередь вызывают потенциалы действия и сокращения в каждом из мышечных волокон двигательной единицы мотонейрона (разд. 8.2). Поскольку в естественных условиях разряжается то один, то другой мотонейрон и сокращаются соответствующие мышечные волокна, возникает некоторый тонус (постоянное напряжение) мышцы.

Полной аккомодации мембраны в зоне генерации импульса к длительной деполяризации не происходит. Значит, при длительном интенсивном

синаптическом возбуждении мотонейрона он будет выдавать постоянную импульсацию. Частота импульсов при этом будет пропорциальна степени деполяризации (рис. 6-41). Таким образом, частота импульсации постсинаптического нейрона в данном случае соответствует суммарной возбуждающей синаптической активности за вычетом тормозной синаптической активности.

Итак, для возникновения импульса в нейроне необходимо, чтобы начальный сегмент аксона,

198

Рис. 6.41. Частота начальной (т. е. возникающей в первые моменты времени) импульсации мотонейрона примерно пропорциональна степени деполяризации мембраны. В данном опыте в мотонейрон введены два микроэлектрода: один для подачи деполяризующего тока, другой - для записи мембранного потенциала. А-В. Схематическое представление записей, из которых видно, что при повышении степени деполяризации (отклонение кривой вверх) частота импульсации увеличивается. Г. Зависимость начальной частоты импульсации от степени деполяризации

обладающий низким порогом возбуждения, был деполяризован до критического уровня. В этом случае возникает импульсация, частота которой нарастает пропорционально степени деполяризации вплоть до максимально возможной. В свою очередь степень деполяризации нейрона зависит от соотношения во времени и точек приложения (по отношению к зоне генерации импульсов)

возбуждающих и тормозных синаптических токов.

199

195 :: 196 :: 197 :: 198 :: 199 :: Содержание

свойства пресинаптических окончаний изменяются под действием модулятора, высвобождаемого другим, тесно прилегающим нервным окончанием. Подобные сдвиги обычно бывают более долговременными. Механизмы такого рода называются гетеросинаптической модуляцией.

200

199 :: 200 :: Содержание

200 :: 201 :: 202 :: Содержание

6.10.1. Гомосинаптическая модуляция

6.10.1.1. Облегчение

Изменение эффективности синаптической передачи, происходящее при высокой активности синапса, можно пронаблюдать в следущем опыте. Представим себе, что мы осуществляем микроэлектродное отведение от области частично кураризованной концевой пластинки скелетной мышцы лягушки и подаем на двигательное волокно два стимула, причем второй из этих стимулов следует за первым через различные промежутки времени (рис. 6-42). Если второй постсинаптический потенциал возникает до окончания первого, то эти потенциалы будут, естественно, суммироваться; однако амплитуда этого второго потенциала будет больше, чем должно было бы быть в результате простой суммации. Если второй постсинаптический потенциал возникает вскоре после окончания первого, его величина будет больше, чем первого. В двигательной концевой пластинке это явление, получившее название

синоптического​ облегчения, длится 100-200 мс.

По имеющимся данным облегчение обусловлено скорее всего тем, что поступление в пресинаптическое волокно первого импульса сопровождается повышением в нем концентрации свободных ионов Са2+ , которое сохраняется непродолжительное время. В результате, когда в волокно поступает второй импульс и тоже вызывает увеличение [Са2+]i, эта новая "порция" ионов Са2+ суммируется с тем количеством этих ионов, которое осталось от первого возбуждения. Поскольку же выделение медиатора связано степенной зависимостью с внутриклеточной концентрацией Са2+ в области пресинаптических участков высвобождения этого медиатора (разд. 6.8.2), небольшое повышение [Ca2+]i приводит к существенному увеличению количества медиатора, высвобождаемого в ответ на второй импульс. Экспериментальное подтверждение этой гипотезы было получено Бернардом Катцем и Рикардо Миледи (1968). Эти исследователи подводили микроэлектрод как можно ближе к области двигательной концевой пластинки мышцы лягушки, погруженной в бескальциевый раствор Рингера, и через этот микроэлектрод посылали "залпы" Са2+ (рис. 6-43, А). Оказалось, что ПКП возникает лишь тогда, когда ко времени прихода в пресинаптаческое окончание импульса во внеклеточной среде имеются ионы Са2+ (рис. 6-43, Б,B). Катц и Миледи обнаружили

Рис. 6.42. Синаптическое облегчение в нервно-

мышечном соединении лягушки. С помощью кураре амплитуда постсинаптического потенциала была уменьшена ниже уровня порога. Видно, что второй постсинаптический потенциал суммируется с нисходящей фазой первого потенциала, однако амплитуда второго потенциала при этом оказывается выше, чем это следует из одной лишь суммации.

свойства также, что облегчение постсинаптического потенциала в ответ на второй стимул было более выраженным, если Са2+ подавался из микроэлектрода во внеклеточную среду одновременно с поступлением первого ПД (рис. 6-43, Д). Если первый кальциевый залп подавался после поступления первого импульса в окончание, существенного облегчения не наблюдалось​ (рис. 6-43, Г). Значит, для того чтобы произошло облегчение, к моменту прихода импульса в пресинаптическое волокно в среде должен содержаться кальций, который может войти в это волокно. Как мы уже говорили, по-видимому, некоторая часть ионов Са2+, вошедших в волокно при возбуждении, остается в нем и суммируется с тем количеством кальция, который поступает в ответ на второй импульс. В результате концентрация Са 2+ в волокне увеличивается, высвобождается больше медиатора​ , а следовательно, повышается постсинаптический​ потенциал.

6.10.1.2. Посттетаническая потенциация

Если подвергать двигательный аксон лягушки тетаническому, т. е. высокочастотному, раздражению, то синаптическое проведение в нервномышечном соединении после такого раздражения будет сначала подавлено, но затем тестирующие стимулы, подводимые через различные промежутки времени, будут

200

потенцироваться (т. е. амплитуда ответов будет увеличиваться). Такая потенциация длится до нескольких минут (рис. 6-44). Это еще один пример того, как при высокой активности синапса происходят изменения эффективности синаптического проведения на пресинаптическом уровне. Посттетаническая потенциация в той или иной форме встречается и в других синапсах. На рис. 6-44, А приведены ПКП, для инициации которых вначале

. Посттетаническая депрессия и посттетаническая потенциация ПКП лягушки. Для того чтобы снизить амплитуду постсинаптических потенциалов и избежать генерации ПД, использовался кураре. А. В растворе Рингера с нормальной

концентрацией Са2+ (1,8 мМ) после высокочастотной стимуляции двигательного нерва сначала наблюдается депрессия ПКП. а затем - задержанная потенциация. Б.

Когда концентрация Са 2+ во внеклеточной среде снижается до 0,225 мМ, наблюдается лишь потенциация, (Rosenthal, 1969.)

исходному уровню примерно через 10 мин. В растворе Рингера с пониженной концентрацией кальция (рис. 6-44, Б) депрессия не развивалась, а посттетаническая​ потенциация прекращалась раньше.

Эти данные были объяснены следующим образом. При высокочастотном раздражении в условиях нормального содержания кальция во внеклеточной среде (рис. 6-44, ,A) кванты медиатора выделяются быстрее, чем вырабатываются, поэтому непосредственно после такой стимуляции уменьшается количество медиатора, высвобождающегося в ответ на раздражение. Далее медиатор снова образуется, и посттетаническая депрессия прекращается. Кроме того, во время тетанизирующего раздражения Са2+ , входящий в окончание при его возбуждении, накапливается в нем и занимает соответствующие места связывания; в дальнейшем он постепенно выводится с помощью активного транспорта. Считается, что посттетаническая потенциация и ее медленный спад обусловлены именно таким повышением и последующим снижением внутриклеточной концентрации кальция. В растворе Рингера с низким содержанием Са2+ (рис. 6-44,Б) количество этих ионов в окончании снижается, и поэтому уменьшается число выделяющихся синаптических пузырьков; в связи с этим запасы медиатора истощаются в меньшей степени. В результате посттетаническая депрессия не возникает, а посттетаническая потенциация достигает такой же величины, как и при нормальном срдержании кальция, однако она быстрее

201

спадает -возможно, из-за того, что кальций выкачивается из окончания быстрее, поскольку его содержание во внеклеточной среде понижено.

202

200 :: 201 :: 202 :: Содержание

202 :: 203 :: Содержание

6.10.2. Гетеросинаптическая модуляция

Внекоторых синапсах на выделение медиатора из пресинаптических окончаний под действием ПД влияют естественные нейрогуморальные агенты (нейромедиаторы или нейрогормоны). К этим так называемым модуляторам относятся серотонин (у моллюсков и позвоночных), октопамин (у насекомых), норадреналин и γ-аминомасляная кислота (ГАМК) (у позвоночных). Все эти вещества играют также роль медиаторов (табл. 6-2). Кроме того, было показано, что для нервных клеток позвоночных роль модуляторов могут играть некоторые опиаты (например, эторфин) и эндогенный опиоид энкефалин. Полагают, что, когда эти вещества попадают в кровоток или высвобождаются нервными окончаниями вблизи синапса, они в естественных условиях могут модулировать выделение медиатора из пресинаптических окончаний. В случае если они выделяются рядом с пресинаптическим окончанием, говорят о гетеросинаптическом действии, поскольку при этом проведение через синапс изменяется под действием добавочного (третьего) нейрона, из которого выделяется модулятор, изменяющий количество высвобождаемого из пресинаптического окончания медиатора. В качестве уже знакомого нам примера гетеросинаптического влияния можно привести пресинаптическое торможение (разд. 6.6.6), при котором снижается количество выделяемого медиатора. В тех же случаях, когда, напротив, количество медиатора возрастает,

говорят о гетеросинаптическом облегчении.

Вработах по исследованию механизма синаптической модуляции были получены данные о том, что модуляторы влияют на количество ионов кальция, входящее в нервные окончания в, ответ на ПД. Часто синаптические модуляторы не вызывают непосредственно открывание (или закрывание) каких-либо каналов. В типичном случае они влияют (т.е. оказывают модулирующее действие) на реакцию каких-то каналов на другие агенты. Так, модуляторы, как правило, увеличивают или снижают ток, текущий через популяцию пресинаптических каналов, активируемых потенциалом действия. В обычном случае этот механизм опосредуется системой внутриклеточных посредников, влияющих на ионные каналы. Что же касается "классических" медиаторов, то они являются своего рода химическими стимуляторами, непосредственно вызывающими открывание мембранных каналов.

Лучше всего изучена Гетеросинаптическая модуляция в синапсах брюхоногого моллюска морского

Т а б л и ц а 6 - 2 . Некоторые известные и предполагаемые нейромедиаторы и нейромодуляторы

202

Рис. 6.45.

Гетеросинаптическое облегчение у аплизии. А. Схема нейронных связей, благодаря которым проведение в возбуждающем синапсе между сенсорным нейроном (СП) и мотонейроном (МН) модулируется третьим, облегчающим интернейроном (ОИ). Б. ПД, возникающий в сенсорном нейроне (верхние кривые), вызывает возбуждающий постсинаптический потенциал в мотонейроне (нижние кривые). При возбуждении облегчающего интернейрона длительность ПД в сенсорном нейроне увеличивается

и наступает облегчение проведения, о чем свидетельствует повышенная реакция мотонейрона. (Kandel et al., 1983.) В. После введения в сенсорные нейроны сАМР активность калиевых S-каналов (регистрируемая методом локальной фиксации на сенсорном нейроне) снижается. (Siegelbaum et al.t 1982.) Г. Полагают, что модулятор, выделяющийся облегчающим интернейроном, связывается с рецепторами на сенсорном нейроне, и это приводит к повышению содержания в этом нейроне сАМР. В результате этого снижается число калиевых S-каналов, открывающихся в ответ на потенциал действия, и ПД удлиняется. При этом кальциевые каналы в окончаниях чувствительных нейронов остаются открытыми в

течение более продолжительного времени и, следовательно, приток Са2+ в эти окончания увеличивается. Это и приводит к облегчению проведения.

зайца, или аплизии (Aplysia californicd) (см. рис. 8-4). Это животное широко используется в опытах по изучению пластичности нервных структур. Эрик Кэндел и его сотрудники обнаружили, что проведение возбуждения между некоторыми идентифицированными нейронами ЦНС аплизии усиливается в ходе сенситизации (разд. 8.8). Это усиление оказалось обусловленным гетеросинаптическим облегчением выделения медиатора под действием модулятора, высвобождаемого в области синапса (рис. 6-45, А, Б). Полагают, что этот модулятор влияет на пресинаптические окончания путем повышения концентрации в них внутриклеточного посредника-циклического аденозин-3',5'- монофосфата (сАМР, разд. 9.2.1). Показано, что этот посредник влияет на открывание особого калиевого канала-так называемого канала S. Конкретный механизм заключается в том, что при повышении уровня сАМР в пресинаптическом нейроне эти каналы закрываются и вероятность их открывания при данном значении мембранного потенциала снижается (рис. 6- 45,B). Поскольку же калий, выходящий через S-канал, по-видимому, участвует в фазе реполяризации ПД, закрывание этих каналов приведет к "удлинению" потенциала действия в пресинаптическом окончании, и в результате через потендиалзависимые кальциевые каналы в это окончание входит больше ионов Са2+ (рис. 6-45, Г). Считается, что такое опосредованное увеличение времени входа Са2+ служит основной причиной повышения количества высвобождаемого медиатора при гетеросинаптическом облегчении в данном синапсе.

203

202 :: 203 :: Содержание

204 :: 205 :: Содержание

6.11. Медиаторы

Одна из самых сложных задач, стоящих перед нейрофизиологами, состоит в точной химической идентификации медиаторов, действующих в различных синапсах. Пока идентифицировано лишь ограниченное число таких медиаторов; некоторые из них указаны в табл. 6-2. Для того чтобы медиаторная функция того или иного вещества в какой-либо ткани была неопровержимо доказана, должны удовлетворяться определенные критерии. Приведем некоторые из них.

1.При прямом нанесении на постсинаптическую мембрану вещество должно вызывать в постсинаптической клетке абсолютно такие же физиологические эффекты, что и при раздражении пресинаптического волокна.

2.Должно быть доказано, что это вещество выделяется при активации пресинаптического нейрона.

3.Действие вещества должно блокироваться теми же агентами, которые подавляют и естественное проведение сигнала.

Наиболее известным из установленных медиаторов является ацетилхолин (рис. 6-46). Это вещество выделяется из окончаний двигательных аксонов и преганглионарных вегетативных нейронов позвоночных (см. рис. 8-13), постганглионарных окончаний парасимпатических вегетативных нейронов и пресинаптических окончаний некоторых нейронов ЦНС позвоночных. Повидимому, оно играет роль медиатора и в ряде нейронов беспозвоночных, в том числе в некоторых клетках ЦНС моллюсков и чувствительных нейронах членистоногих.

Ацетилхолин (АцХ), вьделяющийся окончаниями так называемых холинергических нейронов, гид-ролизуется до холина и ацетата ферментом ацетил-холинэстеразой (АцХЭ). Этот фермент обычно находится в синаптической щели рядом с поверхностью пресинаптической мембраны (рис. 6-47). Продукты гидролиза на постсинаптическую мембрану не действуют. Образующийся холин активно поглощается пресинаптическими окончаниями и здесь, конденсируясь с ацетил-коферментом А (СоА), образует новую молекулу АцХ.

Молекула АцХЭ имеет два участка (рис. 6-48): 1) анионный участок, связывающий четвертичный атом азота АцХ; 2) эстеразный участок, отдающий электроны ацетатному остатку молекулы АцХ; при этом и происходит расщепление АцХ на ацетат и холин. Процессы, осуществляющиеся в этих участках, приводят к гидролизу АцХ, и тем самым действие этого медиатора на постсинаптическую мембрану прекращается. АцХЭ инактивируется некоторыми нервно-паралитическими веществами и инсектицидами. В этом случае АцХ накапливается в синапсах. При этом либо не происходит реполяризация постсинаптической мембраны, либо (во

Рис. 6.46. Структурные формулы трех лигандов, способных

связываться с Н-холинорецепторами. Естественным лигандом является ацетилхолин. Аналог АцХ карбахолин является его агонистом, т. е. он, как и АцХ, активирует АцХ-канал. D-тубокурарин также связывается с АцХ-рецептором, однако при этом . блокируется присоединение к этому рецептору ацетилхолина.

Рис. 6.47. Биохимические превращения ацетилхолина в холинергическом синапсе. АцХ, выделяющийся синоптическим окончанием, гидролизуется в синаптической щели ферментом ацетилхолинэстеразой (АцХЭ). Холин захватывается пресинаптическцм волокном и снова превращается в АцХ путем ацетилирования. (Mountcastle, Baldessarini, 1968.)

204

Рис. 6.48. А. Стерическое соответствие между активным центром молекулы АцХЭ и ее субстратом-АцХ. Б. Гидролиз ацетилхолина под действием АцХЭ. (На рисунке опечатка: строчка под вертикальной стрелкой должна выглядеть АцХЭ + Ац.)

многих синапсах) наступает инактивация холинорецепторов, и постсинаптические каналы остаются постоянно закрытыми, хотя АцХ продолжает выделяться из пресинаптических окончаний. В обоих случаях нарушается деятельность межнейронных и нервно-мышечных синапсов и быстро наступает смерть-как правило, вследствие паралича дыхательных мышц. В экспериментальных условиях для того, чтобы замедлить гидролиз АцХ, используется антихолинэстеразное вещество эзерин (физостигмин).

205

1К катехо л аминам относятся такие моно амины, как дофамин, адреналин, норадреналин и сходные с ними вещества. Нейроны, медиатором которых служат адреналин или норадреналин, часто называют адренергическими.

204 :: 205 :: Содержание

205 :: Содержание

6.11.1. Биогенные амины

Моноамины норадреналин, дофамин и серотонин (рис. 6-49)-это весьма сходные между собой вещества, концентрирующиеся в некоторых нервных окончаниях и выделенные из синаптических пузырьков в ряде нервных структур. Присутствие этих веществ в отдельных нейронах можно обнаружить по их люминесценции в УФ-свете после фиксации формальдегидом. Моноамины обнаружены в некоторых нейронах беспозвоночных и в центральной и вегетативной нервной системе позвоночных; показано, что они действительно выполняют функцию медиаторов (см. табл. 6-2).

Норадреналин (называемый также норэпинефри-ном)-это возбуждающий медиатор, выделяющийся постганглионарными симпатическими клетками (см. рис. 8-13), например хромаффинными клетками мозгового слоя надпочечников и симпатическими нейронами, иннервирующими сердце позвоночных. В эмбриональном периоде хромаффинные клетки развиваются из постганглионарных нейронов, и они выделяют не только норадреналин, но и адреналин (эпинефрин). По своим фармакологическим свойствам оба этих катехоламина1 сходны. Биохимические превращения, которые претерпевает норадреналин в адренергических синапсах, схематично представлены на рис. 6- 50. Если проследить за синтезом норадреналина из аминокислоты фенилаланина (рис. 6-51), то станет видна тесная связь между этим веществом и дофамином. Интересно, что по своей структуре эти моноамины сходны с такими мощнейшими психотропными препаратами, как мескалин (рис. 6-49) и диэтиламид лизергиновой кислоты (ЛСД).

Рис. 6.49. Моноамины дофамин, норадреналин,

адреналин (его формула здесь не приведена) и 5-гидрокситриптамин (серотонин)-это сходные друг с другом медиаторы, обнаруженные в нервной системе позвоночных и беспозвоночных животных.

Мескалин-это психотропный препарат, выделяемый из кактуса Lophophora. Полагают, что он вызывает галлюцинации, влияя в центральной нервной системе на те процессы синоптической передачи, в которых участвует его аналог норадреналин.

205

205 :: Содержание

205 :: 206 :: Содержание

6.11.2. Аминокислоты

В ряде возбуждающих синапсов ЦНС позвоночных и возбуждающих нервномышечных соединениях насекомых и ракообразных (табл. 6-2) выделяются некоторые аминокислоты, например глутаминовая (рис. 6-52). γ- Аминомаоляная кислота (ГАМК) (рис. 6-52) служит медиатором тормозных двигательных синапсов для мышц ракообразных и играет очень важную роль в качестве тормозного медиатора ЦНС у позвоночных. К возможным аминокислотам-медиаторам относятся глицин и аспарагиновая кислота.

205

Рис. 6.50. Биохимические

превращения медиатора в адренергическом синапсе. Норадреналин (НА) синтезируется из аминокислоты фенилаланина с образованием промежуточного продукта-тирозина. Образующийся НА запасается в синоптических пузырьках. После высвобождения из синапса НА частично обратно захватывается пресиноптическим волокном, а частично инактивируется путем метилирования и удаляется с кровотоком. НА, попавший в цитоплазму пресинаптического окончания, либо захватывается в синоптические пузырьки, либо разрушается моноаминоксидазой (МАО). (Mountcastle, Baldessarini, 1968.)

206

205 :: 206 :: Содержание

системе многих беспозвоночных животных. Недавно был разработан метод обнаружения отдельных пептидов в гистологических микроскопических срезах, основанный на иммунологическом связывании пептида с флуоресцирующими антителами. К хорошо известным нейропептидам относятся антидиуретический гормон (гл. 12), рилизинг-факторы гипоталамуса (гл. 9) и различные гормоны желудочно-кишечного тракта (гл. 15).

207

206 :: 207 :: Содержание

207 :: 208 :: 209 :: 210 :: 211 :: Содержание

6.11.4. Эндогенные опиоиды

аналитическими (уменьшающими боль), а также другими морфиноподоб-ными свойствами (вызывают ощущение удовольствия и эйфорию). Так, содержание этих веществ в головном мозге увеличивается, когда человек ест, слушает приятную музыку или занимается какими-то другими видами деятельности, которые, по всеобщему признанию, вызывают чувство удовлетворения. Благодаря таким своим свойствам, а также тому, что эти нейропептиды связываются в нервной системе с теми же рецепторами, что и опиаты (опий и его производные), они называются эндогенными апиоидами. До недавнего времени мы не знали, почему некоторые алкалоиды типа опия, морфина и героина оказывают столь мощное влияние на нервную систему. Теперь же известно, что на поверхностных мембранах некоторых нейронов имеются опиоидные рецепторы. В естественных условиях с этими рецепторами связываются пептидные вещества, вырабатываемые нервной системойэнкефалины и эндорфины. И лишь по случайному совпадению к ним присоединяются также наркотические опиаты-алкалоидные вещества, выделяемые из растений и по своей структуре не сходные с

207

естественными полипептидными опиоидами. Именно чувство удовольствия, возникающее при действии таких веществ, побуждает наркомана употреблять такие наркотические вещества, как опий, морфин и героин. Подобная неестественная мощная стимуляция рецепторов вызывает чрезвычайно приятное субъективное ощущение, сходное с оргазмом, однако более длительное. При повторном применении опиатов возникают компенсаторные изменения метаболизма нервных клеток, и тогда после их отмены состояние нервной системы становится таким, что больной без введения очередной дозы наркотика испытывает чрезвычайный дискомфорт. Подобная метаболическая зависимость называется пристрастием.

При изучении опиоидных рецепторов весьма полезным оказалось вещество налоксон - конкурентный блокатор этих рецепторов. Поскольку налоксон препятствует связыванию опиатов или опиоидов с клетками-мишенями, с его помощью можно определить, вызвана ли та или иная реакция возбуждением таких рецепторов. Было обнаружено, например, что налоксон в значительной степени снимает аналитический эффект плацебо (нейтрального вещества, которое дают больным, уверяя их, что оно снимет у них боль). Очевидно, вера в лекарство (или другое средство лечения), которое должно снять боль, приводит к выбросу опиоидных пептидов; возможно, в этом и состоит физиологический механизм действия плацебо. Налоксон снимает также обезболивающий эффект иглоукалывания. Отсюда был сделан вывод, что при иглоукалывании из ЦНС

Внеклеточная регистрация ПД в пучке нервных волокон.

А. Биполярная регистрация. Б. Монополярная регистрация; один из электродов наложен на поврежденный участок волокна. В. Монополярная регистрация; один из электродов является контрольным и помещен в ванночку с раствором, t1 - t5 -некие

фиксированные моменты времени. Сигнал на экране осциллографа представляет собой результат вычитания потенциала, регистрируемого электродом II из сигнала, регистрируемого электродом I. Г. При внеклеточной регистрации можно разграничить волокна разного диаметра, основываясь на различиях в амплитуде потенциалов действия. Чем выше ток, текущий во внеклеточной среде, тем больше будет разность потенциалов между записывающими электродами.

Дополнение 6-2. Диаметр волокна и скорость проведения возбуждения

Скорость проведения ПД частично зависит от того, на какое расстояние в каждый момент времени распространяются токи действия, возникающие при входе Na+. В свою очередь это расстояние определяется соотношением продольного (вдоль волокна) и поперечного (через мембрану) сопротивлений токам в каждом участке аксона [уравнение (6-2)]. Поперечное сопротивление мембраны rм волокна на участке длиной l обратно пропорционально радиусу р волокна, поскольку площадь поверхности As цилиндрической структуры равна 2πрl. Продольное же сопротивление rп аксоплазмы участка длиной l обратно пропорционально площади поперечного сечения Аx волокна. Поскольку А = πρ2,

сопротивление rп обратно пропорционально квадрату радиуса волокна. Из этого следует, что при увеличении радиуса волокна rп уменьшится в большей

степени, чем rм. Постоянная длины волокна λ, равна [уравнение (6-

2)], и, поскольку при увеличении диаметра волокна продольное сопротивление rп будет уменьшаться больше, чем поперечное, постоянная длины возрастет.

Обычно rп r0, поэтому λ≈ k√ρ, где k-коэффициент пропорциональности. Итак,

209

можно считать, что постоянная длины возрастает пропорционально радиусу волокна.

Скорость проведения возбуждения зависит от скорости распространения деполяризации впереди от ПД, поэтому нужно учитывать емкость мембраны. Отметим, что постоянная времени (rм·См) участка мембраны волокна определенной длины не зависит от диаметра волокна: емкость мембраны См прямо пропорциональна площади поверхности мембраны, а сопротивление rм- обратно пропорционально ей. Значит, при увеличении диаметра волокна постоянная длины увеличивается, а постоянная времени остается неизменной. В связи с этим в волокнах большого диаметра ток, выходящий через мембрану на расстоянии х от ПД, больше, чем в тонких волокнах, а постоянная времени в обоих волокнах одинакова. Это приводит к тому, что на данном расстоянии деполяризация нарастает быстрее, мембранный потенциал достигает критического уровня раньше и скорость проведения возбуждения повышается.

Дополнение 6-3. Фармакологические агенты, используемые при изучении синоптической передачи

Очень важную роль в исследовании синаптической передачи сыграло открытие и применение веществ, избирательно влияющих на какие-то этапы передачи или воспроизводящих их. Здесь мы перечислим некоторые из этих веществ, применяющихся при изучении холинергической передачи.

Мускарин и другие аналогичные вещества (в том числе пилокарпин) активизируют определенные холинорецепторы (так называемые мускариновые, или м-холинорецепторы). Эти рецепторы преобладают в тканях внутренних органов, иннервируемых холи-нергическими парасимпатическими волокнами.

Алкалоид красавки (белладонны) атропин блокирует мускариноподобное действие агонистов АцХ.

Никотин и некоторые другие вещества, например лобелии, являются агонистами АцХ, активируя холинорецепторы двигательных концевых пластинок мышц и посттанглионарных вегетативных нейронов. Такого рода рецепторы называются никотинчувствителъными.

Препарат D-тубокурарин является действующим началом кураре-яда, которым южноамериканские индейцы смазывали свои стрелы. Это вещество блокирует передачу возбуждения на постсинаптическом уровне, конкурируя с АцХ за связывание с никотинчувствительными рецепторами. Такие рецепторы, как мы уже говорили, располагаются в двигательных концевых пластинках мышц и на постганглионарных вегетативных нейронах. D-тубокурарин обратимо связывается с такими рецепторами, однако их каналы при этом не

относительные проницаемости для этих ионов, должны быть равны друг другу и противоположно направлены. Только при этом условии суммарный ток будет равным нулю. Значит, если Vм равен потенциалу реверсии Eрев, то

Подставив в это равенство выражения (1) и (2), получим

Ясно, что если qK > qNa, то Vм должен быть ближе к EK, чем к ENa, и наоборот. Решая уравнение

(4) при Vм = Eрев, получаем

Отсюда ясно, что Eрев равен не просто алгебраической сумме ENa и ЕK, а некоторому промежуточному значению между этими двумя равновесными потенциалами и зависит от отношения qNa/qK. Значит, если qNa и qK будут одинаковы (такая ситуация наблюдается, например, при возбуждении каналов двигательной концевой пластинки мышечного волокна лягушки ацетилхолином), то мембранный потенциал сместится к потенциалу реверсии, значение которого будет находиться ровно посередине между ENa и ЕK:

Для мышечного волокна лягушки ЕK составляет около - 100 мВ, a ENa - примерно + 60мВ. Значит, потенциал раверсии для постсинаптического тока будет равен Eрев = 1/2 (- 100 -1- 60) = - 20мВ. Измерение потенциала реверсии для постсинаптического тока в нервно-мышечном синапсе лягушки показало, что он равен - 10мВ, т.е. несколько положительнее. Это связано с тем, что qNa немного превышает qKк.

Итак, потенциалы реверсии для различных трансмембранных токов зависят от того, какие ионы являются носителями этих токов, каковы равновесные потенциалы для этих ионов и их относительные проницаемости.

211

207 :: 208 :: 209 :: 210 :: 211 :: Содержание

211 :: 212 :: Содержание

6.12. Резюме

Элементарной структурной единицей нервной системы является нервная клетка-нейрон. Нейроны взаимодействуют друг с другом или с эффекторными клетками, передавая электрические или химические сигналы через синапсы. Обычно нейроны состоят из следующих компонент.

1.Тело, или сома, содержащее ядро.

2.Разное число дендритов, на которых образуют синаптические окончания отростки других нейронов (у некоторых нервных клеток синаптические окончания образуются также на теле).

3.Аксон, по которому нервные импульсы поступают к пресинаптическим окончаниям.

4.Пресинаптические окончания, из которых в ответ на поступление импульсов выделяется медиатор.

Внервной системе существуют два типа сигналов: 1) градуальные, нераспространяющиеся изменения потенциала; 2) импульсные, распространяющиеся потенциалы действия. Обычно при передаче информации

внервной системе эти два вида сигналов чередуются: градуальные потенциалы возникают в рецепторах и постсинаптических мембранах, а ПД-в основном в аксонах и связанных с ними структурах. При этом величина сигнала может кодироваться как амплитудой градуальных потенциалов, так и частотой ПД.

Враспространении импульсов по аксону участвуют два процесса: 1) проведение тока в продольном направлении в соответствии с кабельными свойствами волокна; 2) регенерация сигнала, происходящая по всей длине волокна. Эта регенерация обусловлена возбуждением новых натриевых каналов

вответ на деполяризацию мембраны ранее не

211

возбужденного участка под действием местных токов, распространяющихся по аксону впереди импульса. Поскольку потенциалы действия распространяются по аксонам таким регенеративным способом без затухания, они используются для передачи информации от одного участка нервной системы к другому. Скорость распространения импульсов зависит от диаметра аксона и (в некоторых волокнах позвоночных животных) от наличия изолирующей миелиновой оболочки, покрывающей все волокно, за исключением небольших участков-перехватов Ранвье. В таких миелинизированных волокнах осуществляется сальтаторное (скачкообразное) проведение от одного перехвата к другому, при котором ПД как бы "перескакивает" через покрытые миелином участки. При этом скорость проведения возрастает.

Существуют две основные разновидности синапсов-электрические и

химические. В электрических синапсах сигналы передаются в основном так же, как и по волокну: ток течет из одной клетки в другую через участки с низким сопротивлением (в частности, через щелевые контакты). Этот ток и вызывает деполяризацию постсинаптической клетки. При химическом проведении из пресинаптического окончания выделяется медиатор, взаимодействующий с рецепторными молекулами постсинаптической мембраны. В результате в этой мембране открываются каналы для тех или иных ионов и возникает ионный ток, генерирующий постсинаптический потенциал. Химические синапсы обладают тремя преимуществами по сравнению с электрическими: 1) постсинаптический ток может оказывать как возбуждающее, так и тормозное действие; 2) источником постсинаптического тока служит постсинаптическая мембрана, поэтому возбуждение крохотного пресинаптического волокна может вызыватьчерез влияние медиатора на постсинаптические каналы - большой постсинаптический ток; 3) создаются большие возможности для синаптической интеграции.

В возбуждающих синапсах медиатор вызывает такие изменения ионной проницаемости, при которых мембранный потенциал сдвигается в сторону порогового уровня возникнования ПД. В тормозных же синапсах медиатор вызывает изменения проводимости мембраны, препятствующие ее деполяризации до порогового уровня. Любой медиатор не является всегда и во всех условиях либо возбуждающим, либо тормозным; его влияние зависит от того, какие (для каких ионов) постсинаптические каналы будут открываться в ответ на его действие, и от потенциала реверсии для тока, текущего через эти каналы.

Как возбуждающие, так и тормозные медиаторы хранятся в пузырьках (везикулах) нервных окончаний, и именно из этих пузырьков они выделяются в синаптическую щель. Когда в пресинаптическое волокно приходит ПД, это волокно деполяризуется и в него входят ионы Са2+. По какому-то пока еще неизвестному механизму ионы кальция увеличивают вероятность слияния пузырьков с мембраной пресинаптического окончания и выделения их содержимого в синаптическую щель путем экзоцитоза. После выброса медиатора мембрана пузырьков снова захватывается окончанием (эндоцитоз) и используется для образования новых везикул.

В постсинаптических клетках в соответствии с их электрическими свойствами происходит временная и пространственная суммация синаптических потенциалов. Интеграция синаптических эффектов осуществляется путем сложения всех синаптических токов, и ее конечным результатом является деполяризация мембраны в области зоны генерации импульса. Поскольку постсинаптические клетки обладают определенной постоянной времени, временная суммация может происходить даже в том случае, когда синаптические токи не накладываются друг на друга во времени.

Активное функционирование синапсов может приводить к некоторым изменениям эффективности синаптической передачи. Было показано, что в ряде

случаев эти изменения связаны с тем, что меняется количество медиатора, выделяемого в ответ на поступление импульсов в пресинаптическое волокно. На эффективность синаптической передачи могут влиять модуляторы, выделяемые "третьим" (не участвующим непосредственно в передаче) нейроном или эндокринными железами. Под действием этих модуляторов изменяется количество ионов Са2+ , входящих в окончание в ответ на ПД, и, следовательно, доза медиатора, выбрасываемого в синаптическую щель.

212

211 :: 212 :: Содержание

212 :: 213 :: Содержание

6.13. Вопросы для повторения

1.Сравните между собой два основных типа электрических сигналов, использующихся в нервной системе.

2.Потенциалы действия порождаются электрическим током. Почему же эти потенциалы не распространяются по аксонам с такой же скоростью, как и электрический ток в проводнике?

3.Почему ПД распространяются на длительное расстояние без затухания, а синаптические потенциалы - нет ?

4.Объясните, почему при прочих равных условиях волокно большого диаметра проводит импульсы с большей скоростью, чем тонкое.

5.Объясните, почему наличие прерывистой миелиновой оболочки повышает скорость проведения импульсов.

212

6.В чем состоит сходство между миелинизирован-ным нервным волокном и подводным коммуникационным кабелем?

7.Как можно было бы экспериментально определить природу соединения между двумя нервными клетками (т.е. выяснить, является она электрической или химической)?

8.Сравните свойства электрических и химических синапсов.

9.От чего зависит, будет ли тот или иной медиатор возбуждающим или тормозным?

10.От каких факторов зависит, будет ли медиатор деполяризовывать или гиперполяризовывать постсинаптическую мембрану?

11.Объясните, почему постсинаптический потенциал может быть деполяризующим, но тем не менее оказывать тормозное действие.

12.Благодаря чему ацетилхолин, выделяемый пресинаптическими окончаниями, не остается постоянно в синаптической щели и не мешает проведению следующих сигналов?

13.Какое возможное значение может иметь структурное сходство между медиаторами-моноаминами и такими психотропными агентами, как ЛСД и мескалин, для объяснения действия этих агентов?

14.Какие данные свидетельствуют о том, что потенциал концевой пластинки состоит из компонент, называемых миниатюрными потенциалами концевой пластинки?

15.Какое влияние может оказывать предшествующая синаптическая активность на амплитуду постсинаптического потенциала?

16.Объясните, почему величина постсинаптического потенциала ограничена, даже если в каком-то синапсе может выделяться любое количество медиатора.

17.Почему в мотонейронах позвоночных животных потенциалы действия возникают в области аксонного холмика, а не в дендритах или теле?

18.Известно, что постсинаптические потенциалы распространяются с

затуханием. Исходя из этого ответьте на вопрос: где на нейроне должен быть расположен синапс, чтобы оказывать на этот нейрон наибольшее влияние?

19.Что такое пространственная и временная сумация? От каких свойств мембраны зависят эти два процесса?

20.Расскажите о роли ионов Са2+ в следующих процессах: электросекреторное сопряжение, облегчение, посттетаническая потенциация и гетеросинаптическая модуляция выделения медиатора.

21.Сравните кодирование интенсивности стимула градуальными сигналами (например, рецепторными и синаптическими потенциалами) и потенциалами действия.

213

212 :: 213 :: Содержание

213 :: Содержание

ЛИТЕРАТУРА

Aidley DJ. 1978. The Physiology of Excitable Cells, 2d ed.,

New York, Cambridge University Press. Augustine G. J.t Charlton M.P., Smith S. J. 1987. Calcium

action in synaptic transmitter release, Ann. Rev. NeuroscL, 10,

633-693. Bullock Т.Н., Orkand R., Grinnell A.D. 1977. Introduction to

Nervous Systems, New York, W. H. Freeman and Company. Cooper J.R., Bloom F.E., Roth R. 1986. The Biochemical Basis

of Neuropharmacology, 5th, ed." New York, Oxford

University Press. Gainer H., ed 1977. Peptides in Neurobiology, New York, Plenum. Hall Z., Hildebrand J., Kravitz E. 1974. The Chemistry of

Synaptic Transmission, Newton, Mass,, Chiron. Hille B. 1985. Ionic Channels in Exitable Membranes, Sunder-

land. Mss., Sinauer. Hodgkin A.L. 1964. The Conduction of the Nervous Impulse, Springfield, 111, Thomas. Kandel E.R., Schwartz J.H. 1985. Principles of Neural Science,

2d ed." New York, Elsevier.

Kandel E.R., Schwartz J.H. 1982. Molecular biology of learning: Modulation of transmitter release, Science, 218,

433-443. Kate B. 1966. Nerve, Muscle and Synapse, New York, McGraw-Hill. Kravitz E. A., Treheme J.E., eds. 1980. Neurotransmission, Neurotransimitters and Neuromodulators, Cambridge,

Cambridge University Press. Kuffler S. W., Nicholls J., Martin R. 1984. From Neuron to

Brain, 2d ed., Sunderland, Mass., Sinauer. Llinas R. 1982. Calcium in synaptic transmission, Scientific

American, 247, 56-65. McCarthy M. P., Earnest J. P., Young E.F., Choe S., Stroud

R.M. 1986. The molecular neurobiology of the acetyl-

choline receptor, Am. Rev. NeuroscL, 9, 383-413. Roberts A., Bush B.M., eds. 1980. Neurones without Impulses"

Cambridge, University Press. Schmitt F. 0., Worden F. G., eds. 1979. The Neurosciences:

Fourth Study Program, Cambridge, Mass,, M. I. T. Press. SnyderS.H. 1985, The molecular basis of communication

between cells, Scientific American, 253, 114-123.

213

213 :: Содержание

214 :: 215 :: Содержание

Глава 7

Сенсорные механизмы

Органы чувств являются единственными каналами связи от внешнего мира к нервной системе. Здесь запас "знаний" у животного опосредован сенсорным входом, взаимодействующим с нервной системой, организация и свойства которой определяются наследственностью и формируются в процессе онтогенетического развития. Аристотель выразил эту мысль следующими словами: "В уме нет ничего, что сначала не прошло бы через органы чувств". Таким образом, изучение преобразования внешней информации в нервные сигналы и понимание их дальнейшей переработки в нервной системе представляет не только естественнонаучный, но и значительный философский интерес.

Процессы сенсорной рецепции начинаются в органах чувств, точнее - в рецепторных клетках. Образно говоря, рецепторные клетки настроены на специфическую модальность стимулов. У высших животных (как можно полагать исходя из человеческого опыта) сенсорные стимулы большинства типов вызывают субъективное ощущение, отождествляемое с этими стимулами. Так, например, свет с длиной волны 650-700 нм, попадающий в глаз, воспринимается как "красный", а сахар на языке - как "сладкий". Ощущения-это субъективные феномены, возникающие в нервной системе в результате неизвестных физических и химических событий; способность вызывать определенные ощущения отнюдь не присуща самим источникам внешней стимуляции.

Традиционный перечень чувств: зрение, слух, осязание, вкус и обоняние - неполон, так как не учитывает существования также различных интероцептивных (внутренних) рецепторов, или интероцепторов, деятельность которых мы по большей части не осознаём. К таким рецепторам относятся проприоцепторы (находящиеся в мышцах и суставах и информирующие о положении тела) и рецепторы, контролирующие химическое и температурное состояние организма. В этой главе, однако, мы будем классифицировать рецепторы по более фундаментальному признаку-по тем формам энергии, к которым рецепторы обладают специфической чувствительностью.

Соответственно мы рассмотрим хеморецепторы, механорецепторы, электрорецепторы, терморецепторы и фоторецепторы.

В процессе эволюции сенсорные системы из одиночных, независимых рецепторных элементов превратились в такие сложные органы чувств, как, например, глаза позвоночных, в которых рецепторные клетки организованы в ткань, связанную со сложными вспомогательными структурами. Комплекс рецепторных клеток и вспомогательных структур позволяет животному гораздо

более тонко и точно анализировать окружающую среду, чем независимые, изолированные друг от друга рецепторные клетки. Представление о том, насколько различны функциональные возможности простого рецептора и сложного органа чувств, можно получить, сравнивая, например, глаз усоногого рака с более сложным глазом, снабженным оптическими механизмами. Боковой глаз усоногого состоит из трех простых фоторецепторных клеток без какой-либо линзы и поэтому не может формировать изображение. Он, очевидно, выработался в ходе эволюции как орган фоторецепции, но не зрения. Фоторецепторы усоногого рака сигнализируют всего лишь об изменениях освещенности, что позволяет нервной системе адекватно реагировать защитными рефлексами, когда на животное падает тень от хищника. Напротив, в глазу позвоночного формируется изображение, различные элементы которого кодируются активностью зрительного нерва. На основании этой информации центральная нервная система строит сложное нейронное отображение внешнего мира, и это

214

субъективно переживается как "видение", или зрительное восприятие.

В первой части этой главы мы рассмотрим общие принципы сенсорных функций; остальная часть ее посвящена более детальному описанию главных органов чувств и их физиологии. Предполагается, что читатель усвоил материал, изложенный в гл. 5 и 6.

215

214 :: 215 :: Содержание

215 :: 216 :: Содержание

7.1. Рецепторные клетки как сенсорные преобразователи

Как уже говорилось, обработка сенсорной информации начинается в рецепторных клетках, точнее-в специализированных мембранах этих клеток. Особенно важное значение для переработки входных сигналов имеют два свойства специализированных рецепторных клеток (рис. 7-1). Во-первых, рецепторные клетки отличаются высокой избирательностью по отношению к стимулам определенной модальности и, как правило, не реагируют на стимулы других модальностей. Иными словами, они обладают дифференциальной чувствительностью и преобразуют в биологические сигналы лишь определенные формы энергии, что обычно связано с конформационным изменением рецепторной молекулы-вероятно, всегда белковой. Этот первичный процесс называют активацией рецепторной молекулы. Активация вызывает в рецепторах разных типов разную последовательность молекулярных событий. В некоторых рецепторах активация рецепторной молекулы инициирует каскад ферментативных реакций, служащий для усиления сигнала. Каждая последующая реакция в таком каскаде сопровождается многократным (в 10-1000 раз) увеличением числа активных молекул, за счет чего и достигается усиление (см., например, дополнение 9-1). Последняя реакция каскада обычно приводит к открытию (или закрытию) ионных каналов, которые проводят рецепторный ток, модулирующий нервный сигнал. Таким образом, рецепторная клетка преобразует внешний стимул в трансмембранный ток, вызывающий изменение мембранного потенциала. Рецепторную клетку можно сравнить с обыкновенным микрофоном, который преобразует механическую энергию звука в модулированные электрические сигналы, или с фотоэлементом, преобразующим в такие сигналы изменение освещенности.

В качестве примера избирательности рецепторных клеток можно привести тот факт, что фоторецепторы глаза гораздо чувствительнее к свету, чем к какойлибо другой форме энергии. Будучи необычайно чувствительны к свету, они совершенно не реагируют на другие стимулы (например, механические). Наоборот, волосковые клетки внутреннего уха позвоночных отличаются тончайшей чувствительностью к механической энергии и совсем не отвечают на воздействие света. Таким образом, рецепторные клетки определенного типа обычно реагируют только на адекватные стимулы.

Puc. 7.1. Главные функции, выполняемые рецепторными клетками при переработке сенсорных стимулов. Хотя на данный рецептор могут воздействовать самые разнообразные стимулы, он улавливает лишь стимулы какого-то определенного вида энергии, а на все остальные не реагирует (если только они не очень сильны), Как правило, дальнейшие события включают преобразование стимула в биологически значимые (например, биохимические) сигналы и нередко - усиление этих сигналов; один из обязательных этапов - активация (или инактивация) рецепторных каналов, в результате которой запускается цепь электрофизиологических событий, приводящих к возникновению нервного сигнала.

За счет чего достигается такая избирательность? Фоторецепторные клетки содержат зрительный пигмент, состоящий из белковых молекул, способных поглощать кванты света. Поглощение световой энергии приводит к кратковременному изменению конформации белка, а вместе с этим и его свойств; в результате дальнейшей цепи событий изменяется активность ионных каналов в мембране рецепторной клетки. В отличие от этого в механорецепторных клетках имеются молекулы, реагирующие на легкую деформацию или растяжение клеточной мембраны. Таким образом, преобразование стимула и избирательность рецепторных клеток в основном определяются чувствительными молекулами,

215

находящимися обычно в клеточной мембране рецептора.

Второе важное свойство рецепторных клеток-их способность генерировать электрический сигнал, энергия которого намного больше энергии внешнего стимула. Наиболее впечатляющими примерами такого усиления энергии стимула могут служить рецепторы глаза и уха позвоночных животных, а также обонятельные рецепторы некоторых насекомых. Лучистая энергия одного фотона красного света составляет всего лишь 3·10-19 джоулей (Дж) (один фотон представляет, конечно, теоретически минимальный зрительный стимул). Однако поглощение одного фотона зрительной рецепторной клеткой приводит к

возникновению рецепторного тока, электрическая энергия которого составляет около 5·1014 Дж, что соответствует усилению приблизительно в 1,7·105 раз. Рецепторный ток участвует в модуляции импульсов в зрительном нерве. Необыкновенная чувствительность зрительной системы человека позволяет ему после привыкания к темноте воспринимать в виде слабых вспышек всего 5-10 фотонов, одновременно воздействующих на небольшой участок сетчатки.

216

215 :: 216 :: Содержание

Рис. 7.3. Электрическая активность рецепторов растяжения .речного рака (данные внутриклеточной регистрации). А. Ответ быстро адаптирующегося рецептора на слабый (слева) и сильный (справа)

стимулы. Стрелками указаны моменты начала и прекращения стимуляции. (Eyzaguirre, Kuffler, 1955.) Б. Активность медленно адаптирующегося рецептора в физиологическом растворе. Добавление тетродотоксина приводит к блокаде потенциалов действия, что позволяет выявить обусловливающий их рецепторный потенциал. (Loewenstein, 1971.)

216

Более сильное растяжение приводит к более значительной деполяризации. Изменение потенциала явно свидетельствует о том, что в клетке должен возникать и обусловливающий его рецепторный ток; кроме того, чтобы вызывать деполяризацию клетки, этот рецепторный ток должен переносить в нее положительные электрические заряды. Достаточно большие рецепторные потенциалы сопровождаются одним или несколькими потенциалами действия.

Какова природа связи между стимулом, рецепторным током, рецепторным потенциалом и потенциалом действия? Потенциал действия можно подавить (рис. 7-3, Б) путем блокады электрически возбужденных натриевых каналов тетродотоксином (см. разд. 5.6.4). При этом, однако, рецепторный потенциал сохраняется, что указывает на разные механизмы генерирования рецепторного потенциала и быстрого, возникающего по закону "всё или ничего" потенциала действия. Кроме того, можно видеть, что рецепторный потенциал - градуальный, т.е. может быть разной величины в зависимости от силы стимула, а не подчиняется закону "всё или ничего". В этом отношении рецепторный потенциал сходен с возбудительным постсинаптическим потенциалом мышечных и нервных клеток (разд. 6.6.2).

Для того чтобы сенсорный нейрон мог сигнализировать о длительно воздействующих стимулах, он должен обладать способностью к тоническому (т. е. длительному) разряду. Способность различных участков клеточной мембраны генерировать длительные серии импульсов изучалась путем локальной стимуляции рецептора растяжения. Как видно из рис. 7-4, постоянный стимулирующий ток вызывал длительные серии разрядов только в том случае, если он деполяризовал в рецепторе низкопороговую зону инициации импульсов. В других участках клеточной мембраны наблюдается гораздо более быстрая аккомодация (см. разд. 5.6.1). Полагают, что это различие связано с разным характером распределения ионных каналов в клеточной мембране и (или) разными их свойствами.

Теперь можно составить общую картину всей цепи событий между воздействием на сенсорный нейрон внешнего стимула и возникновением в нем серии импульсов (рис. 7-5). Энергия стимула вызывает изменение рецепторного белка, обычно локализованного в клеточной мембране. Рецепторный белок либо сам может быть частью ионного канала, либо может модулировать активность мембранных каналов косвенным образом, через каскад ферментативных реакций, усиливающий клеточный сигнал. В обоих случаях поглощение энергии стимула рецепторной молекулой в конце концов приводит к модуляции (открытию или закрытию) системы ионных каналов, по которым проходит рецепторный ток. Происходящее при этом изменение проницаемости мембраны вызывает сдвиг мембранного потенциала в соответствии с принципами, рассмотренными в гл. 5.

Рис. 7.4. Способность зоны инициации импульсов (указана цветными точками) медленно адаптирующегося рецептора растяжения отвечать стойким длительным разрядом на продолжительную стимуляцию. Другие области клетки обнаруживают быструю адаптацию. (Nakajima, Ouodeka, 1969.)

С увеличением силы стимула число реагирующих (открывающихся или закрывающихся) ионных каналов возрастает. В результате рецепторный ток усиливается (или ослабевает) и рецепторный потенциал повышается. Таким образом, все процессы, приводящие к возникновению рецепторного потенциала, как и он сам, имеют градуальный характер. В отличие от натриевго тока при потенциале действия рецепторный ток (даже если он частично или полностью опосредуется ионами Na+) не регенерируется и поэтому может распространяться только пассивно, электротонически (разд. 6.2). Для того чтобы сенсорные сигналы могли распространяться на большие расстояния и доходить до ЦНС, содержащаяся в рецепторном потенциале информация должна быть преобразована в потенциалы действия. Это достигается одним из следующих двух способов (рис. 7-6).

1. В некоторых рецепторах деполяризационный рецепторный потенциал электротонически распространяется из места возникновения в сенсорной зоне в зону инициации импульсов у основания аксона, где затем и генерируются потенциалы действия. Рецепторная зона может быть частью того же самого

рис. 7-5). А и Б. В первичных рецепторах этих двух типов рецепторный ток, возникающий в сенсорной зоне, распространяется электротонически и непосредственно деполяризует зону инициации импульсов. В обоих случаях рецепторные клетки снабжены и афферентным сенсорным волокном; единственное различие состоит в расположении тела клетки-периферическом в одном случае (А) и центральном-в другом (Б). В. Рецепторная клетка здесь не генерирует импульсы, а освобождает синоптический медиатор, модулирующий импульсную активность афферентного нервного волокна (это пример вторичного рецептора).

проводящей импульсов клетки, электрически связанной с афферентным нейроном (этот случай на рисунке не изображен). Если рецепторный потенциал распространяется непосредственно (без прохождения через синапс) на электрически возбудимую мембрану и непосредственно модулирует генерирование импульсов в зоне их инициации, его иногда называют также

генераторным потенциалом.

2. В рецепторах другого типа сенсорные и проводящие элементы разделены химическим синапсом. В этом случае деполяризационный или гиперполяризационный рецепторный потенциал электротони-чески распространяется из сенсорного участка рецепторной клетки в пресинаптическую зону той же самой клетки, модулируя освобождение медиатора (рис. 7-6, В). Медиатор модулирует частоту посылаемых в ЦНС импульсов, которые постсинаптически генерируются в афферентном нервном волокне. В этом случае сама рецепторная клетка не генерирует импульсов.

Касаясь терминологии, следует отметить, что в обоих рассмотренных случаях аксон, проводящий сенсорные импульсы в ЦНС, называют сенсорным волокном, афферентным волокном или просто сенсорным нейроном.

Таким образом, рецепторный потенциал служит локальным сигналом, который сенсорная часть рецепторной клетки посылает секреторным или генерирующим импульсы участкам, влияя таким образом на частоту импульсов, передающих сенсорную информацию на далекое расстояние в ЦНС.

218

216 :: 217 :: 218 :: Содержание

219 :: 220 :: Содержание

7.2. Кодирование интенсивности стимула

Отдельные потенциалы действия, возникающие в разных органах чувств, практически неразличимы. Таким образом, модальность стимула не кодируется какими-либо свойствами одиночных импульсов. Воспринимаемая ЦНС модальность стимула зависит от анатомической связи между сенсорными нейронами и "высшими" когнитивными центрами головного мозга. (Это будет подробнее рассмотрено в гл. 8).

Единственный параметр стимула, который кодируется не анатомическими связями, а характером импульсации данного нервного волокна,-это интенсивность стимула. Высокая частота импульсов обычно отражает воздействие сильных стимулов, а снижение частоты означает ослабление стимуляции. Поскольку связь между стимулом и сенсорным ответом в рецепторах разного типа неодинакова, какого-либо единого правила кодирования нет. И все же можно сделать ряд обобщений относительно электрофизиологической реакции рецепторной клетки. С увеличением интенсивности стимула происходит усиление рецепторного тока деполяризации (в некоторых случаях-гиперполяризации). Зона инициации импульсов (см. рис. 7-2) в рецепторах многих типов почти не обнаруживает адаптации и при постоянном уровне деполяризации мембраны способна к длительному разряду постоянной частоты.

7.2.1. Зависимость между входом и выходом

Идеальная сенсорная система должна быть способна перекодировать стимулы любой интенсивности в полезные сигналы. В биологических сенсорных системах, однако, такая способность отчасти ограничена. Например, максимальную реакцию рецепторной клетки на воздействие сильного стимула лимитируют три фактора:

1.конечное число ионных каналов в рецепторе определяет наибольшую силу рецепторного тока, который может возникать при сильном внешнем стимуле.

2.рецепторный потенциал не может быть больше потенциала реверсии рецепторного тока (см. разд. 6.6.4)

3.частота импульсации в сенсорных аксонах ограничена длиной периода рефрактерности после каждого импульса (разд. 5.6.1); поэтому максимальная частота импульсации в большинстве нервных волокон не может превышать нескольких сотен в секунду.

Диапазон интенсивностей стимула, в котором рецептор способен реагировать без "насыщения" (т. е. диапазон, в котором он может кодировать силу стимула, генерируя с увеличением энергии стимула все более интенсивные сигналы), называется динамическим диапазоном рецептора или органа чувств. В большинстве рецепторных клеток амплитуда рецепторного потенциала приблизительно пропорциональна логарифму интенсивности стимула (рис. 7-7, А). Частота сенсорных импульсов связана более или менее линейной зависимостью с амплитудой рецепторного потенциала (рис. 7-7, Б) вплоть до той точки, в которой рефрактерность мембраны после каждого импульса начинает ограничивать частоту импульсации. Вследствие этих двух зависимостей частота импульсов в медленно адаптирующемся рецепторе (см. ниже, разд. 7.3.1), как правило, является функцией логарифма интенсивности стимула (рис. 7-7, В). Достигнув центральных окончаний сенсорных нейронов, импульсы вызывают синаптические потенциалы, которые суммируются и создают синаптическое облегчение в зависимости от частоты импульсации. Таким образом, возникающий на этом этапе постсинаптический потенциал градуально изменяется как функция интенсивности стимула и поэтому может служить грубым аналогом внешнего воздействия (см. рис. 6-3).

Если учесть, в каких широких пределах может изменяться интенсивность стимулов, легко понять, насколько важна для многих сенсорных систем логарифмическая зависимость между энергией стимула и частотой сенсорных разрядов. Так, например, солнечный свет примерно в 109 раз ярче лунного; слуховая система человека способна воспринимать без значительного искажения звуки, энергия

Рис. 7.7. Зависимость между входом и выходом органа чувств. А. Во многих рецепторах амплитуда рецепторного потенциала связана линейной зависимостью с логарифмом интенсивности стимула в широком диапазоне значений. Б. Частота сенсорных импульсов связана линейной зависимостью с амплитудой рецепторного потенциала. В. В результате этого во многих сенсорных волокнах частота импульсов пропорциональна логарифму интенсивности стимула. Пунктирные части кривых на графиках Б и В означают неспособность нервных волокон к дальнейшему учащению импульсации из-за рефрактерности мембраны аксона.

219

рых различается в 1012 раз. Способность органов чувств функционировать в столь огромных диапазонах интенсивности внешних стимулов поистине удивительна. Она определяется не только большим динамическим диапазоном первичного преобразования стимулов, но также, как мы увидим, процессами адаптации, происходящими при длительном воздействии стимулов. Кроме того, нервные сети, перерабатывающие сенсорные сигналы (см. гл. 8), тоже снабжены механизмами, расширяющими динамический диапазон сенсорной системы.

При воздействии слабых стимулов очень большое усиление энергии в

неадаптированном рецепторе достигается за счет рецепторного потенциала. Степень этого усиления постепенно снижается по мере увеличения силы стимула. Подобную логарифмическую зависимость между интенсивностью стимула и амплитудой рецепторного потенциала можно предсказать из уравнения Годдмана (разд. 5.4.1), из которого видно, что мембранный потенциал изменяется пропорционально логарифму ионной проницаемости мембраны. Таким образом, изменение проницаемости, например, для Na+ приводит к сдвигу мембранного потенциала, пропорциональному логарифму изменения натриевой проницаемости мембраны под действием стимула. Интенсивность стимулов, обычных для окружающей среды, находится, как правило, в логарифмической области кривой "вход-выход" (рис. 7-7, А). Некоторым рецепторам, однако, свойственна не логарифмическая, а степенная зависимость, при которой логарифм амплитуды рецепторного ответа пропорционален логарифму интенсивности стимула.

Логарифмическая зависимость "стимул - реакция", показанная на рис. 7-7, В, "сжимает" область высоких интенсивностей, тем самым значительно расширяя диапазон, в котором возможно различение стимулов по силе. Вследствие логарифмической зависимости между амплитудой рецепторного потенциала и силой стимула данное относительное усиление стимула приводит к одинаковому приращению (т.е. к увеличению на то же самое число милливольт) рецепторного потенциала в очень широком диапазоне интенсивностей. Иными словами, удвоение силы стимула в области его низких интенсивностей приведет к такому же приращению амплитуды рецепторного потенциала, как и при удвоении силы стимула в области высоких интенсивностей. Таким образом,

где I-интенсивность (сила) стимула, а K-постоянная величина. Эта зависимость сходна с той, которая описывает субъективное восприятие изменений в силе стимула и известна в психологии под названием закона Вебера-Фехнера.

Рассмотренное свойство сенсорных систем имеет огромное функциональное значение. Так, например, кажущаяся яркость предметов, воспринимаемых при данной освещенности (скажем, в полдень), изменяется в гораздо меньшей степени, чем сама эта освещенность в другое время (скажем, при наступлении сумерек). Однако относительная интенсивность стимулов и ее изменения при наблюдении данной сцены гораздо более информативны для наблюдателя, чем абсолютная энергетическая характеристика стимулов. Например, пасущийся на лугу или в лесу олень чутко реагирует на всякое движение (на соответствующее изменение зрительных стимулов) в очень широком диапазоне освещенности.

220

219 :: 220 :: Содержание

220 :: 221 :: Содержание

7.2.2. Дробление динамического диапазона

Динамический диапазон различения силы стимулов у многонейронной сенсорной системы, как правило, гораздо шире, чем у одиночного рецептора или одиночного афферентного (сенсорного) волокна. Расширение динамического диапазона всей системы обеспечивается тем, что ее отдельные афферентные волокна различаются по своей чувствительности. Наиболее чувствительные рецепторы дают максимальный ответ и насыщаются при воздействии таких стимулов, интенсивность которых ниже или лишь ненамного выше порога других, менее чувствительных рецепторов данной системы. Таким образом, при воздействии стимулов с наименьшей энергией будут слабо реагировать лишь некоторые, особенно чувствительные сенсорные волокна. С увеличением силы стимула частота разряда этих волокон будет возрастать и, кроме того, начнут слабо реагировать и менее чувствительные волокна. С дальнейшим ростом интенсивности стимула к ним

Рис. 7.8. Дробление динамического диапазона.

Кривые а, б, в и г отражают частоту разрядов отдельных сенсорных афферентов в зависимости от силы стимула. В данном условном примере динамический диапазон каждого сенсорного волокна составляет от 3 до 4 логарифмических единиц интенсивности стимула, а общий динамический диапазон волокон а-г охватывает 7 логарифмических единиц.

220

присоединятся другие, ранее "молчавшие" малочувствительные афференты. Если сила стимула возрастает еще больше, в процесс импульсации в конце концов вовлекаются наименее чувствительные волокна и все афференты начинают разряжаться с максимальной частотой. В этот момент система насыщается и становится неспособной реагировать на дальнейшее усиление стимула. Такого рода дробление диапазона, когда отдельные рецепторы или афферентные волокна обеспечивают лишь какую-то часть общего динамического диапазона сенсорной системы (рис. 7-8), позволяет центральным сенсорным структурам различать интенсивности стимулов в гораздо более широком диапазоне по сравнению с каким-либо одиночным сенсорным рецептором.

221

220 :: 221 :: Содержание

223 :: 224 :: Содержание

7.3.2. Механизмы повышения чувствительности

Многие сенсорные волокна проявляют спонтанную активность при отсутствии какой-либо сенсорной стимуляции. Это обстоятельство имеет два важных следствия.

Во-первых, если сенсорная клетка разряжается спонтанно, тогда любое, даже самое малое, увеличение энергии стимула будет повышать частоту ее импульсации. Небольшие рецепторные токи, возникающие в ответ на воздействие слабых стимулов, могут модулировать частоту импульсов за счет укорочения интервалов между ними (рис. 7-13). Чувствительность рецептора с такой модуляцией частоты разрядов может быть намного выше, чем у

223

Рис. 7.13. Межимпулъсный интервал спонтанно

разряжающейся рецепторной клетки может укорачиваться под влиянием чрезвычайно слабых стимулов, так как они увеличивают крутизну подъема пейсмейкерного потенциала (или синаптического потенциала, если речь идет о сенсорных волокнах 2-го порядка).

рецептора, в котором рецепторный ток должен деполяризовать до порогового уровня зону иншщации импульсов, пребывающую в полном покое. Зависимость "вход-выход" для такого сенсорного нейрона описывается сигмовидной кривой (рис. 7-14). Без всякой стимуляции частота его разрядов уже лежит в области крутого подъема кривой, и даже незначительный входной сигнал способен сильно повысить частоту импульсации.

Во-вторых, в некоторых спонтанно активных сенсорных нейронах модуляция частоты разрядов может происходить как в сторону ее увеличения, так и в сторону уменьшения, что позволяет рецептору

Рис. 7.14. Типичная зависимость между входом и выходом спонтанно активной рецепторной клетки или сенсорного волокна 2-го порядка. При отсутствии входного сигнала (О на абсциссе) клетка разряжается спонтанно. Поскольку этот спонтанный выход располагается на крутом участке кривой, даже очень слабый стимул увеличит частоту импульсов. Пунктирная часть кривой описывает поведение трех рецепторов, стимуляция которых может приводить не только к увеличению, но и к уменьшению частоты импульсации.

по-разному реагировать на разную полярность или направление стимула. Примером может служить электрическая активность таких механорецепторов, как волосковые клетки: смещение волосков в одну сторону повышает, а в другую-снижает частоту спонтанных разрядов в сенсорных волокнах.

Способность нервной системы выделять "сигнал" (т. е. изменение активности, вызванное стимулом) из "шума" (т. е. фоновой активности афферентных волокон) может увеличиваться также за счет многочисленных параллельных сенсорных путей, благодаря которым небольшие одновременные изменения на входе многих рецепторных клеток могут в ЦНС суммироваться. Таким образом, случайные сигналы на входе отдельных сенсорных каналов "исчезают" в шуме, а одновременная активность многих каналов может выделяться из шума. По этой причине человек обычно не способен воспринять один поглощенный рецепторной клеткой фотон, тогда как при одновременном поглощении одиночных фотонов несколькими рецепторами у него возникает ощущение света.

224

223 :: 224 :: Содержание

224 :: 225 :: Содержание

7.3.3. Эфферентный контроль чувствительности рецепторов

ЦНС влияет на реактивность некоторых органов чувств через иннервирующие их эфферентные (центробежные) аксоны. Например, рецепторы растяжения в скелетных мышцах позвоночных и ракообразных связаны с особыми рецепторными мышечными волокнами, имеющими двигательную иннервацию. Контролируя длину этих волокон, моторная иннервация позволяет контролировать и величину ответа рецептора растяжения на изменение общей длины мышцы. Например, укорочение всей мышцы (скажем, разгибателя хвоста) сопровождается укорочением также и рецепторных мышечных волокон, расположенных параллельно мышце-разгибателю. При разгибании хвоста (которое само по себе устраняло бы силу, растягивающую рецепторы) рецепторное мышечное волокно поддерживает более или менее постоянное натяжение сенсорной части рецепторной клетки. Вследствие этого рецептор сохраняет чувствительность к сгибанию хвоста какой-либо внешней силой независимо от степени его разгибания.

Сенсорные нейроны рецепторов растяжения в брюшке речного рака и омара иннервированы, кроме того, эфферентными нейронами, образующими на них тормозные синапсы (см. рис. 7-11). Величина рецепторного потенциала уменьшается под влиянием медиатора, выделяемого тормозными окончаниями, что приводит либо к прекращению сенсорной импульсации, генерируемой клетками рецептора растяжения, либо к снижению частоты их разряда. Таким образом, ЦНС способна непосредственно

224

модулировать чувствительность рецепторных клеток.

225

224 :: 225 :: Содержание

225 :: Содержание

7.3.4. Торможение рецепторов по принципу обратной связи

С эфферентным контролем чувствительности рецепторов тесно связано их

торможение по принципу обратной связи. В некоторых сенсорных системах активность рецепторов ведет к возникновению тормозного сигнала, который поступает обратно к рецепторам. Примером опять-таки могут служить рецепторы растяжения в брюшке ракообразных (рис. 7-15). Активация сенсорного нейрона под влиянием растяжения приводит к рефлекторному возникновению в ЦНС сигнала, который по эфферентным тормозным нервам передается обратно на тот же самый сенсорный нейрон (самоторможение) и на расположенные впереди и позади него соседние сенсорные нейроны (латеральное торможение). Разумеется, чем сильнее стимул, тем сильнее и возвратный тормозный сигнал. С другой стороны, поскольку для рефлекторной активации центральных тормозных нейронов нужен сравнительно мощный сенсорный разряд, при воздействии слабых стимулов обратная связь не имеет или почти не имеет никакого значения. Таким образом, подавляются главным образом эффекты сильных стимулов. В результате уменьшается вероятность того, что разряд на выходе рецептора превысит его "рабочий диапазон" (т.е. максимальную частоту импульсации), и поэтому динамический диапазон, или диапазон чувствительности, рецепторного нейрона под влиянием тормозной обратной связи увеличивается.

Другое важное следствие взаимного торможения в сенсорных системах-это усиление контраста за счет латерального торможения. Впервые обнаруженный в зрительной системе (разд. 8.4.1) этот феномен отмечается и в некоторых других сенсорных системах. Одна из особенностей взаимного торможения-то, что чем сильнее разряд на выходе рецептора, тем больше подавляется активность соседних рецепторов. В таких условиях происходит непропорционально сильное подавление разряда на выходе слабо стимулируемых рецепторов, так как обратное тормозящее воздействие последних проявляется в меньшей степени. Таким образом, различие в ответах слабо и сильно стимулируемых рецепторов "преувеличивается", что усиливает контраст между слабыми и сильными стимулами.

225

225 :: Содержание

Рис. 7.16. Три типа хеморецепторов. А -вкусовая почка языка позвоночного со вторичными аксонами, иннервирующими первичные рецепторные клетки (Murray, Murray, 1970). Обонятельные рецепторы позвоночных (Б) и насекомых (В) посылают первичные афференты в ЦНС. Аналогичные структуры изображены на рис. Б и В одинаково. Тонкие отростки рецепторов всех трех типов находятся в слое слизи; у насекомых это истинные дендриты. (Steinbrecht, 1969.)

этой бабочки. Даже столь низкая концентрация этого вещества в воздухе, как 1 молекула на 1017 молекул воздуха, вызывает у самца соответствующую поведенческую реакцию. Рецепторы отличаются высокой специфичностью и реагируют только на бомбикол и некоторые его химическиеаналоги. Биологическое значение этой высокоспецифичной рецепторной системы очевидно: она позволяет самцу определить ночью местонахождение единственной самки на расстоянии нескольких миль против ветра.

Путем регистрации электрических ответов антен-нальных обонятельных рецепторов была изучена их чувствительность к бомбиколу. Значительное повышение частоты разряда рецептора отмечалось, когда на рецептор попадало всего лишь 90 молекул этого феромона в секунду. Поведенческая же реакция самца (например, возбужденные взмахи крыльев) наблюдалась уже тогда, когда примерно 40 рецепторных клеток антенны (которых в антенне около 20 тысяч) сталкивались с одной молекулой феромона в секунду. Поскольку электрофизиологическая регистрация не позволяет надежно выявлять изменение частоты разряда одиночной рецепторной клетки при ее стимуляции одной молекулой пахучего вещества, предполагается, что ЦНС бабочки чувствительна к очень малому увеличению частоты импульсации в ее многочисленных хемосенсорных каналах.

Много интересных данных, касающихся одиночной хеморецепторной клетки, было получено при электрофизиологическом исследовании контактных хеморецепторов (вкусовых волосков) насекомых. Эти рецепторные клетки посылают тонкие дендриты к кончикам полых волосковидных выростов кутикулы, называемых сенсиллами. Каждая сенсилла имеет крошечное отверстие, открывающее доступ для молекул химических веществ к сенсорной клетке (рис. 7-17). У обыкновенной комнатной мухи сенсиллы хоботка и ног

содержат по нескольку рецепторных клеток, каждая из которых чувствительна лишь к определенному химическому раздражителю (например, воде, катионам, анионам или углеводам).

Электрическую активность контактных хеморецепторов мухи можно регистрировать через отверстие, проделанное в боковой стенке сенсиллы (рис. 7-17). При такой внеклеточной регистрации в ответе хеморецептора выявляются два компонента: 1) рецепторный потенциал и 2) импульсы. Рецепторный потенциал возникает в концевых участках денд-ритов у кончика сенсиллы, а потенциалы действия-около тела клетки.

С помощью адекватной химической стимуляции одиночной сенсиллы у мухи можно вызвать поведенческую реакцию. Капелька сахарного раствора, нанесенная на сенсиллу лапки, заставляет муху вытягивать хоботок для кормежки. С помощью этого рефлекса была изучена эффективность, с которой различные вещества вызывают у мухи описанный

226

Рис. 7.77. Запись электрической активности контактной хеморецепторной сенсиллы мухи. Дендриты разных нейронов чувствительны к разным классам веществ (сахарам, катионам, анионам, воде).

Электрические ответы сенсиллы регистрируются через отверстие, проделанное в ее стенке (справа).

поведенческий стереотип. Оказалось, что все вещества, вызывающие пищевой рефлекс, вызывают также и электрическую активность рецептора сахара - одной из рецепторных клеток сенсиллы. Эта клетка реагирует только на некоторые углеводы. Вещества, не вызывающие пищевого поведения (например, D-рибоза), не стимулируют и рецептор сахара. Интересно отметить, что для мухи различные сахара располагаются по способности стимулировать хеморецепторы в том же порядке, что и для человека (фруктоза > сахароза > глюкоза).

Кодирование обонятельной информации у позвоночных изучали путем регистрации электрической активности в аксонах одиночных рецепторов (электрод 2 на рис. 7-18, Б) и суммарных потенциалов (электроольфактограмма, ЭОГ) большого числа рецепторов обонятельного эпителия лягушки (электрод 1).

227

Рис. 7.19. Два вещества, одинаково действующие на клетку а, в клетке б вызывают совершенно разные эффекты. Таким образом, клетка б способна дифференцировать те запахи, которые клетка а не различает. (Gesteland, 1966.)

чать многообразные запахи может определяться тем, что обонятельные центры их мозга "узнают" множество разных комбинаций повышенных и пониженных частот импульсации различных обонятельных клеток в эпителии носа.

Согласно одной из классификаций, имеется семь основных категорий запахов: камфорные, мускусные, цветочные-, мятные, эфирные, едкие и гнилостные. Человек способен различать по запаху несколько сотен химических соединений, но это не означает, что для каждого одоранта существует рецепторная молекула или рецепторная клетка, реагирующая только на него. Скорее всего у человека, как и у лягушки, рецепторные молекулы распределены между различными группами обонятельных клеток, связанных с соответствующими центральными структурами; это обеспечивает кодирование разнообразных комбинаций основных типов запахов и тем самым делает возможным тонкое различение запахов.

Каким образом вкусовая или обонятельная рецепторная клетка преобразует химический стимул? В связи с этим вопросом следует вспомнить поведение постсинаптической мембраны химического синапса (разд. 6.7), которую можно рассматривать как высокоспециализированную хемосенсорную мембрану. Связав медиатор ацетилхолин, постсинаптические рецепторные молекулы концевой моторной пластинки позвоночных подвергаются конформационному изменению, приводящему к активации мембранных каналов для Na+ и К+ . В результате возникает направленный в клетку синаптический ток (аналогичный "рецепторному току"), который деполяризует ее и генерирует потенциалы действия.

Известно, что участок связывания ацетилхолина расположен на белковой молекуле. Это не удивительно, так как мы знаем, что некоторые белки при взаимодействии с другими молекулами изменяют свою конформацию. Это явление лежит в основе таких аллостерических эффектов, как активация ионных каналов (разд. 5.6.3) или каталитических центров ферментов (разд. 3.5.5). Таким образом, конформационное изменение при связывании молекулы пахучего вещества могло бы быть одним из способов преобразования химического стимула в открытие каналов для прохождения через мембрану рецепторного тока. Этот эффект мог бы вызываться обонятельным стимулом прямо (подобно активации мембранных каналов ацетилхолином; разд. 6.7.1) или через ряд промежуточных событий. Хотя рецепторные молекулы хемосенсорных клеток

пока еще не выделены, они, вероятно, имеют белковую природу.

228

225 :: 226 :: 227 :: 228 :: Содержание

деформацию дендрита рецептора. (Thurm, 1965.)

мембраны одного из крупных аксонов омара повышает ее проницаемость для натрия. Согласно простейшей гипотезе о механорецепторном преобразовании, растяжение мембраны рецептора могло бы приводить к небольшому расширению заполненных водой ион-селективных каналов. Такое расширение каналов, размеры которых уже были почти достаточны для прохождения какого-либо иона (например, Na+), могло бы намного повышать проницаемость мембраны для этого иона (рис. 7-22). Очень незначительная механическая энергия, которая нужна для растяжения мембраны, достаточного для повышения ее ионной проводимости, высвобождает гораздо большую электрическую энергию градиента концентрации ионов. Хотя в свете данных о механизмах ионной селективности (разд. 7.2) эта гипотеза кажется несколько грубой, в ее пользу говорит тот факт, что некоторые мембранные каналы механорецепторов, по-видимому, представляют собой заполненные водой поры с относительно низкой ионной селективностью. Согласно другой, более сложной гипотезе, механическое напряжение рецепторной мембраны каким-то образом модулирует открытие ионного канала (разд. 5.1), вызывая кон-формационное изменение белка этого канала. Учитывая необычайную чувствительность многих механорецепторов, трудно себе представить, каким образом ничтожно малые пороговые смещения мембраны порядка 0,1 нм (на тканевом или клеточном уровне) могли бы приводить к изменению ее ионной проницаемости без участия высокоспециализированных рецепторных молекул.

Рис. 7.22. Простая гипотеза, объясняющая повышение проницаемости мембраны механорецептора для катионов при ее растяжении (для иллюстрации выбран ион Na+). Если диаметр пор мембраны в покое чуть меньше диаметра ионов натрия (А), то ее небольшое растяжение (Б) приведет к увеличению диаметра пор, и это позволит ионам Na + проникать в клетку. Но действительно ли механорецептор функционирует таким образом, не известно.

229

228 :: 229 :: Содержание

229 :: 230 :: 231 :: Содержание

7.5.1. Волосковые клетки

Волосковые клетки позвоночных (рис. 7-23, А и Б)-это чрезвычайно чувствительные механорецепторы в системе боковой линии рыб и амфибий (рис. 7-24), органах слуха и органах равновесия (полукружных каналах). Своим названием волосковая

229

Рис. 7.23.

Электрофизиология во ласковой клетки. А. Электронная микрофотография поперечного среза цилий волосковой клетки. Крупная цилия с характерной структурой "9 + 2"-киноцилия, остальные-стереоцилии. (Flock, 1967; из Ph. H. Kahn, ed., Lateral Line Detectors, 1967.) Б. Обобщенная схема волосковой клетки;

показаны пространственные отношения между стереоцилиями и киноцилией, направление воздействия стимула, эфферентное и афферентное нервные волокна (в улитке млекопитающих киноцилий нет). (Harris, Flock, 1967.) В зависимости от того, в каком направлении сгибаются цилий, волосковая клетка может либо увеличивать, либо уменьшать частоту импульсации афферентного (сенсорного) волокна. Смещение цилий в ту и другую сторону вызывает изменение потенциала, регистрируемое внутриклеточным микроэлектродом. С помощью внеклеточного электрода регистрируются сенсорные импульсы в афферентном аксоне. В. Зависимость рецепторного потенциала от смещения цилий. Деполяризационные ответы ( + ), возникающие при смещении цилий в сторону киноцилии, выражены сильнее, чем

гиперполяризация при движении цилий в противоположную сторону. (Russell, 1980.)

230

клетка обязана волоскам, отходящим от ее апикального конца, которые представлены одной киноцилией и примерно двумя дюжинами неподвижных стереоцилий. Расположение микротрубочек в киноцилии, как и в подвижных ресничках (см. гл. 11), описывается формулой "9 + 2". Стереоцилий содержат множество тонких, продольно расположенных актиновых филаментов и с киноцилией не сходны ни в структурном, ни в онтогенетическом отношении. Киноцилия имеется у волосковых клеток боковой линии и органа равновесия, но отсутствует у волосковых клеток органа слуха взрослых млекопитающих, так что существенной роли в преобразовании механических стимулов она, вероятно, не играет. Длина стереоцилий возрастает от одного края клетки к другому (рис. 7-23, Б).

Рис. 7.24. Колосковые клетки системы боковой линии земноводного (африканской шпорцевой лягушки XenopusJ. На поперечном срезе видна купула, смещение которой в результате движения воды стимулирует волосковые клетки. (Для сравнения см. рис. 7-23.)

Волосковые клетки чувствительны к направлению механического смещения стереоцилий. Изгиб в сторону самой длинной из них приводит к деполяризации волосковой клетки, а в противоположную сторону-к возникновению гиперполяризационного рецепторного потенциала (рис. 7-23, Б). Рецепторный

потенциал волосковой клетки модулирует свойственное ей непрерывное спонтанное освобождение нейромедиатора из ее базального конца. В свою очередь скорость освобождения медиатора определяет частоту разрядов в сенсорных аксонах, с которыми волосковые клетки образуют химические синапсы. В зависимости от направления изгиба цилий выделение медиатора, а значит, и частота разрядов в аксонах увеличивается или уменьшается по сравнению со спонтанным уровнем, соответствующим нулевому смещению цилий. Важная особенность ответа волосковых клеток на стимуляцию состоит в том, что зависимость "вход-выход" у них заметно асимметрична (рис. 7-23, В). Изменение потенциала, вызываемое смещением стереоцилий в сторону самой длинной из них (деполяризация), больше, чем изменение, вызываемое таким же смещением в противоположную сторону (гиперполяризация). Значение такой асимметрии ответа можно понять, если учесть, что рецепторный потенциал волосковых клеток, подвергающихся воздействию симметричных колебаний (например, звуковых волн), способен "поспевать" за чередованием фаз стимула лишь до тех пор, пока его частота не превышает нескольких сотен герц (Гц). При больших частотах отдельные отклонения в ответе волосковых клеток сглаживаются, но даже при симметричных отклонениях стимула от некоторого нулевого уровня суммарным результатом будет все же деполяризация волосковых клеток, поскольку, как было сказано выше, "деполяризующее" направление стимула более эффективно, чем "гиперполяризующее". Длительная деполяризация волосковой клетки при воздействии высокочастотных стимулов поддерживает непрерывное выделение ею нейромедиатора, а тем самым и высокую частоту импульсации афферентного нерва.

231

229 :: 230 :: 231 :: Содержание

Рис. 7.26. Слуховая система человека. А. Главные части. Б. показаны пути распространения слуховых сигналов. (Beck, Полукружные каналы и улитка. Стремя удалено, чтобы 1971.) было лучше видно овальное окно. Цветными стрелками

сенсорными сигналами, используются для контроля позных и других рефлексов.

233

231 :: 232 :: 233 :: Содержание

233 :: 234 :: 235 :: Содержание

7.6. Ухо млекопитающих

7.6.1. Структура и функции улитки

У млекопитающих волосковые клетки уха расположены в кортиевом органе улитки (рис. 7-27). Они напоминают волосковые клетки боковой линии низших позвоночных, но киноцилия у взрослых животных исчезает и остаются только стереоцилии. Большинство структур уха участвует в преобразовании звуковых волн (вибраций воздуха) в движения кортиевого органа, стимулирующие волосковые клетки, а эти клетки в свою очередь возбуждают сенсорные аксоны слухового нерва.

Из позвоночных настоящая улитка (cochlea) имеется только у млекопитающих; птицы и крокодилы, однако, обладают почти прямолинейным кохлеар-ным протоком, и некоторые его структуры (бази-лярная мембрана и кортиев орган) аналогичны таковым млекопитающих. У остальных позвоночных кохлеарных протоков нет. Восприятие звуковых волн у некоторых низших позвоночных осуществляют волосковые клетки, связанные с отолитами утрикулюса и саккулюса и лагеной (одной из трех макул). Рассмотрим теперь, каким образом в улитке млекопитающего и иннервирующих ее сенсорных аксонах кодируются частота и интенсивность звука.

Улитка, заключенная в сосцевидном отростке височной кости, представляет собой суживающуюся к концу трубку, закрученную наподобие раковины улитки. Внутри она разделена на три продольных канала (рис. 7-27, А). Два крайних канала [барабанная лестница (scala tympani) и лестница преддверия

(scala vestibuli)] сообщаются через геликотрему-отверстие в области апикального (верхнего) конца улитки. Эти каналы заполнены водянистой перилим-фой; между ними лежит третий канал -внутренняя лестница (scala media), отделенная от них базилярной мембраной и рейснеровой мембраной и

заполненная эндолимфой. Кортиев орган с волосковыми клетками расположен во внутренней лестнице на базилярной мембране.

У взрослого млекопитающего имеются четыре ряда волосковых клетокодин внутренний и три наружных (рис. 7-27, Б). Стереоцилии волосковых клеток трех наружных рядов (киноцилий в улитке взрослых млекопитающих нет) соприкасаются с текториалъной (покровной) мембраной, а стереоцилии волосковых клеток внутреннего ряда непосредственно с ней не контактируют (рис. 7-28). Как полагают, стереоцилии волосковых клеток внутреннего ряда стимулируются тогда, когда слой вязкой слизи, покрывающей текториальную мембрану, смещается перпендикулярно оси цилии; возможно, это указывает на большую чувствительность этих стереоцилии к ускорению или скорости смещения, нежели к степени смещения слизи. Непосредственный контакт внешних волосковых клеток с текто-риальной мембраной определяет их чувствительность не только к скорости, но и к степени смещения. Волосковые

Изображенные на рисунке смещения сильно преувеличены. (Davis, 1968.)

234

Вибрация воздуха, воздействующая на барабанную перепонку, через слуховые косточки (наковальню, молоточек и стремя, рис. 7-26, А) и овальное окн о передается перилимфе (рис. 7-26, Б). Слуховые косточки усиливают давление воздушных волн на барабанную перепонку следующим образом. Поскольку площадь овального окна .составляет лишь около 1/25 площади барабанной перепонки, энергия звука, воздействующая на перепонку и передаваемая слуховыми косточками овальному окну, концентрируется на меньшей площади, и поэтому давление на овальное окно больше давления на барабанную перепонку. Такое увеличение давления очень существенно для передачи колебаний, так как инерция жидкости улитки по другую сторону овального окна больше, чем инерция воздуха, контактирующего с барабанной перепонкой.

Энергия вибраций, пройдя через жидкости улитки и через мембраны, разделяющие ее на каналы (рейснерову и базилярную), рассеивается благодаря мембране круглого окна. Это имеет болыдое значение, так как если бы заполненную жидкостью улитку окружала только твердая кость, смещения мембраны овального окна, жидкости и внутренних тканей были бы слишком малыми. Упругость мембраны круглого окна позволяет жидкости между овальным и круглым окнами смещаться при воздействии звуковых волн. Распределение возмущений в жидкости улитки зависит от частоты вибраций, поступающих на мембрану овального окна. Чтобы понять это, представим себе смещение барабанной перепонки, которое передается через косточки среднего уха мембране овального окна. Очень длинные (низкочастотные) звуковые волны вызывают смещение несжимаемой перилимфы в лестнице преддверия и (через геликотрему) в барабанной лестнице, передающееся мембране круглого окна. В отличие от этого быстрые колебания жидкости, вызываемые высокочастотными звуковыми волнами, проявляют тенденцию сократить свой путь; они смещают мембраны между двумя упомянутыми каналами и эндолимфу внутренней лестницы, не успев еще распространиться далеко от основания улитки. Такое представление о механике улитки сформулировал Георг фон Бекеши в результате экспериментов на обнаженной улитке. Его исследования показали, что

1)колебания базилярной мембраны при воздействии чистого тона (синусоидальных звуковых волн) имеют ту же частоту, что и тон;

2)эти колебания (главным образом низкочастотные) распространяются в виде бегущей волны по всей длине базилярной мембраны;

3)локализация максимальной амплитуды на базилярной мембране зависит от высоты тона. Высокочастотные вибрации вызывают смещение только начальных, а низкочастотные-более эффективное смещение дистальных участков базилярной мембраны.

Таким образом, каждая точка базилярной мембраны подвергается наиболее эффективному смещению под действием стимула определенной частоты.

235

233 :: 234 :: 235 :: Содержание

235 :: 236 :: Содержание

7.6.2. Возбуждение волосковых клеток улитки

Регистрация электрической активности в разных участках улитки показала, что колебания электрического потенциала в них соответствует по частоте, фазе и амплитуде вызывающим их звуковым волнам. Эти так называемые микрофонные потенциалы улитки-результат суммации рецепторных токов, которые возникают в многочисленных волосковых клетках, стимулируемых движениями базилярной мембраны. Рецепторные токи волосковых клеток точно отражают движения этой мембраны во всем диапазоне звуковых частот, воспринимаемых ухом (примерно от 20 до 20000 Гц у молодых испытуемых). Волосковые клетки образуют синаптические контакты с сенсорными аксонами VIII черепномозгового нерва, принадлежащими слуховым нейронам, тела которых находятся в ядре улитки. Освобождение нейромедиатора волосковыми клетками модулирует частоту разрядов в сенсорных аксонах. В ответ на низкочастотные звуки сенсорные нервные волокна разряжаются синхронно с рецепторными потенциалами в волосковых клетках. Когда, однако, частота звука превышает примерно 1000 Гц, частоту разряда лимитирует константа времени мембраны рецепторной клетки, так же как и рефрактерность аксонов. (Кодирование частоты тона обсуждается в разд. 7.6.3.)

До сих пор плохо изучен вопрос, каким образом движения базилярной мембраны вызывают рецепторные потенциалы в волосковых клетках. Похоже, что первым этапом преобразования механической энергии стимула является относительный боковой сдвиг кортиева органа и текториальной мембраны, к которой прикреплены стереоцилии наружных волосковых клеток. Такой сдвиг обусловлен относительным расположением соответствующих центров вращения этих двух мембран (рис. 7-28). Благодаря такому расположению колебания базилярной мембраны вызывают боковое смещение кончиков стереоцилии. Последнее событие, вероятно, приводит к активации ионных каналов в рецепторной мембране и прохождению тока ионов через мембрану в волосковую клетку. Наоборот, смещение базилярной мембраны вниз вызывает наклон стереоцилии в противоположном направлении, уменьшает натяжение рецепторной мембраны и ослабляет рецепторныи ток. Рецепторные потенциалы модулируют приток в клетку ионов Са2+ по кальциевым каналам, находящимся в базальной области волосковой клетки и управляемым разностью потенциалов; таким образом регулируется выделение

235

синаптического медиатора, влияющего на частоту разрядов в волокнах слухового нерва.

236

235 :: 236 :: Содержание

236 :: Содержание

7.6.3. Частотный анализ звуков в улитке

Как уже говорилось, когда частота звукового стимула превышает примерно 1000 Гц, однозначное соответствие между звуковыми волнами и электрическими сигналами в ухе становится невозможным из-за константы времени волосковой клетки и предела частоты импульсов в аксонах слухового нерва. Таким образом, информация о высоте звука, поступающая в ЦНС, должна кодироваться не частотой импульсов, а с помощью какого-то иного механизма.

В 1867г. Герман Гельмгольц заметил, что бази-лярная мембрана состоит из многочисленных поперечных полосок, длина которых увеличивается от ее проксимального конца (у круглого окна) к апикальному. Такая структура базилярной мембраны напомнила Гельмгольцу струны рояля и навела его на мысль о резонансной теории. Согласно этой теории, различные участки базилярной мембраны колеблются, резонируя с определенной частотой тона (подобно тому, как определенная струна рояля резонирует в ответ на звук камертона). Позднее Бекеши (1960) подверг эту теорию сомнению, когда обнаружил (о чем уже упоминалось), что движения базилярной мембраны в отличие от колебаний струн рояля представляют собой не стоячие (как предполагал Гельмгольц), а бегущие волны, распространяющиеся от ее узкого конца к более широкому апикальному концу (рис. 7-26, Б). Это волны той же частоты, что и воздействующий на ухо звук, однако скорость их распространения гораздо меньше, чем скорость звука в воздухе.

Бегущую волну можно, например, наблюдать, если тряхнуть свободный конец веревки с закрепленным другим концом. Базилярная мембрана от веревки отличается тем, что ее механические свойства в разных участках неодинаковы. Постепенное увеличение механической податливости ("ненатянутости") базилярной мембраны от ее узкого конца к широкому приводит к тому, что амплитуда бегущих по ней волн изменяется (рис. 7-29). Точка, в которой смещение мембраны имеет наибольшую амплитуду (и, следовательно, происходит максимальная стимуляция волосковых клеток и сенсорных аксонов), зависит от частоты бегущих волн, а значит, и от частоты звукового стимула. При воздействии высокочастотных стимулов бегущие волны вызывают максимальное смещение базилярной мембраны у базального конца улитки. При воздействии низкочастотных стимулов область максимального смещения базилярной мембраны сдвигается к апикальному концу улитки. Степень смещения базилярной мембраны в любой точке ее длины определяет силу стимуляции волосковых клеток и тем самымчастоту импульсов в сенсорных волокнах, отходящих от разных участков мембраны.

Следует подчеркнуть, что в профиле бегущей волны на рис. 7-29 амплитуды смещения базилярной мембраны сильно преувеличены. Самые громкие звуки смещают ее всего лишь примерно на 1 мкм. Если степень смещения базилярной мембраны на всем диапазоне от самых слабых до самых сильных звуков прямо

пропорциональна интенсивности стимула, очевидно, что при воздействии звука, который едва воспринимается слуховой системой млекопитающего, амплитуда вибраций базилярной мембраны будет составлять всего лишь 10-11 см. С трудом верится, что столь ничтожные смещения (в 1000 раз меньше диаметра атома водорода) могут оказывать какое-либо воздействие на волосковые клетки. Нужно подчеркнуть, однако, что в приведенном расчете предполагается линейная зависимость смещения от силы звука во всем диапазоне, что может и не соответствовать действительности. Даже если пороговые смещения базилярной мембраны в 1000 раз больше, чувствительность волосковых клеток к вибрациям все-таки поразительна.

236

236 :: Содержание

имеет более низкое сопротивление, чем базалъная. В. Спонтанно активный рецептор (а) необычайно чувствителен к электрическому току, входящему в рецепторную клетку (б) и выходящему из нее (в).

(Bennett, 1968.)

находятся на голове и теле в системе боковой линии (рис. 7-30, А).

У "низковольтных" электрических рыб (в отличие от "высоковольтных", таких, например, как электрический угорь) электрические разряды, генерируемые на одном конце тела видоизмененной мышечной или нервной тканью, через эпителиальные поры в боковой линии входят обратно в тело рыбы. У основания каждой поры ток встречает на своем пути электрорецепторную клетку (рис. 7-30, Б), образующую синаптические контакты с аксонами VIII черепномозгового нерва, иннервирующими боковую линию. Мембрана рецепторной клетки, обращенная к внешней среде, обладает меньшим электрическим сопротивлением, чем мембрана на базальной стороне клетки. Поэтому наибольшее падение потенциала происходит в месте выхода тока из клетки. Таким образом, ток, входящий из окружающей среды в пору и проходящий через электрорецепторную клетку, вызывает положительный сдвиг потенциала (деполяризацию) мембраны в базальной области. Деполяризация активирует кальциевые каналы в этой части клеточной мембраны, и приток Са2+ в клетку через эти каналы ускоряет освобождение синаптического медиатора, а это в свою очередь ведет к повышению частоты импульсов в сенсорном волокне, иннервирующем рецептор. Наоборот, ток, выходящий из тела рыбы, гиперполяризует мембрану в основании рецепторной клетки и уменьшает выделение медиатора ниже спонтанного уровня. Таким образом, частота импульсов в аксонах может уменьшаться или увеличиваться в зависимости от направления тока, протекающего через электрорецепторную клетку (рис. 7-30, Б и В). Подобно волосковым клеткам уха позвоночных, эти рецепторы и иннервирующие их аксоны обладают поистине удивительной чувствительностью к внешним стимулам. Как видно из рис. 7-30, В частота разрядов в сенсорном нерве изменяется даже при сдвиге мембранного потенциала рецепторной клетки, составляющем всего лишь несколько микровольт (миллионных долей вольта). Некоторые угри, скаты и другие рыбы генерируют мощный разряд электрического тока, которым

237

Рис. 7.31. Ток, протекающий между электрическим органом (в хвосте рыбы) и рецепторными порами (на голове). Всякий внешний объект с более высокой, чем у воды, электропроводностью вызывает отклонение токи, к оси потока. Внешний объект с более низкой, чем у воды, электропроводностью (вверху справа) вызывает отклонение тока от оси потока. (Н. W. Lissman, Electric Location by Fishes, 1963.)

они оглушают врага или добычу. В отличие от них "низковольтные" электрические рыбы генерируют своими электрическими органами непрерывные серии синхронных деполяризаций довольно высокой частоты. Серии электрических импульсов распространяются в воде от заднего конца тела к переднему (рис. 7-31). Любой объект, электропроводность которого отличается от электропроводности воды, вызывает искажение линий тока. Электрорецепторы боковой линии "следят" за распределением тока, возвращающегося через поры боковой линии на голове и переднем конце тела, и способны выявлять изменения электрического поля, обусловленные присутствием в воде посторонних объектов. Эта сенсорная информация перерабатывается затем в имеющем очень крупные относительные размеры мозжечке рыбы, что позволяет ей обнаруживать в непосредственной от себя близости объекты и определять их местонахождение.

238

236 :: 237 :: 238 :: Содержание

ткани, а не на саму лучистую энергию.

Механизмы изменения сигнала на выходе рецептора под влиянием изменений температуры до сих пор не изучены. В коже и на верхней стороне языка у млекопитающих имеются температурные рецепто-7 ры двух типов: одни повышают частоту разрядов при обогреве ("тепловые" рецепторы), другие-при охлаждении ("холодовые" рецепторы). Эти типы различаются по реакции на небольшие отклонения от нормальной температуры тела (около 37 °С) в ту или другую сторону; рецепторы обоих типов при более значительном изменении температуры обнаруживают пиковую активность, сменяющуюся реверсией ответов (рис. 7-33). Первоначальный же ответ всегда надежно отражает направление температурного сдвига.

Рис. 7.33. А. Стабильная импулъсация "Холодовых" и "тепловых" нервных волокон языка млекопитающих. Б. Изменение частоты разрядов "холодового" нервного волокна при охлаждении и последующем согревании (изменение температуры показано черной линией внизу). (Zotterman, 1959.)

239

238 :: 239 :: Содержание

Рис. 7.34.

Боковой глаз мечехвоста (Limulus). А. Общий вид животного. Б. Поперечный разрез бокового глаза, состоящего из омматидиев. В. Омматидий (на рисунке Б выделен прямоугольником). Свет входит в омматидий через расположенный сверху хрусталик и поглощается зрительным пигментом ретинулярных клеток, расположенных вокруг дендрита эксцентрической клетки наподобие долек апельсина. (W.H. Miller, F. Ratliff, Н.К. Hartline. How Cells Receive Stimuli, 1961.) Внизу представлена внутриклеточная запись ответа омматидия на световой стимул (Fuortes, 1959). Г. Электронная микрофотография рабдомера; видны микроворсинки в поперечном разрезе, × 120000. (Фото любезно предоставлено A. Lasansky.)

ментом (рис. 7-34, Г). Таким образом, поверхность клеточной мембраны в рабдомере сильно увеличена за счет множества микроворсинок. Прошедший сквозь хрусталик свет поглощается молекулами фотопигмента в образующей рабдомер рецепторной мембране. Если глаз мечехвоста подвергать непрерывному воздействию очень слабого света, в ретикулярных клетках будут происходить непредсказуемые кратковременные деполяризационные сдвиги мембранного потенциала. Частота этих "квантовых толчков" мембранного потенциала возрастает, если освещенность постепенно усиливается, так что фотоны все чаще поглощаются рецептором. Очевидно, это и есть электрические сигналы, генерируемые клетками при поглощении квантов света отдельными молекулами фотопигмента. Один фотон, поглощенный одной молекулой зрительного пигмента Limulus, вызывает рецепторный ток силой 10-9 А, т. е. энергия сигнала в процессе первичного преобразования увеличивается в 105-106 раз. Каким образом поглощение фотона молекулой фотопигмента приводит к

столь быстрому освобождению энергии, во много раз превосходящей собственную энергию фотона? Одно из возможных объяснений состоит в том, что обесцвечивание молекулы фотопигмента приводит к активации фермента, катализирующего образование большого числа молекул внутриклеточного медиатора, каждая из которых вызывает затем открытие в мембране одного канала для диффузии множества ионов по электрохимическому градиенту.

240

У Limulus рецепторный ток, протекающий через активированные светом каналы, переносится ионами Na+ и К+; он создает деполяризационный рецепторный потенциал. Здесь действуют в принципе такие же механизмы, что и при активации каналов моторной концевой пластинки в мышце ацетилхолином. После прекращения световой стимуляции ионные каналы снова закрываются и мембрана реполяризуется.

Хотя у ретикулярных клеток есть аксоны, потенциалы действия в них, повидимому, не генерируются. Вместо этого возникающий в клетках рецепторный ток проходит через щелевые контакты с низким электрическим сопротивлением (электрические синапсы) в дендрит эксцентрической клетки, и уже отсюда электротоническая деполяризация распространяется на аксон этой клетки, где генерируются импульсы (рис. 7-34, В). Импульсы по зрительному нерву проводятся в ЦНС. Хотя по сравнению с глазом позвоночных глаз Limulus организован просто, в целом зрительная система мечехвоста способна генерировать паттерны электрической активности, сходные с некоторыми из сложных паттернов зрительного восприятия у человека (см. дополнение 7-1).

241

1 Это "живое ископаемое" относится к хелицеровым и, следовательно, родственно паукам; с ракообразными оно находится в более отдаленном родстве.

239 :: 240 :: 241 :: Содержание

241 :: 242 :: 243 :: 244 :: 245 :: Содержание

7.9.2. Зрительные рецепторные клетки позвоночных

У млекопитающих, птиц и других позвоночных зрительные рецепторные клетки [палочки и (или) колбочки] распределены в сетчатке в виде плотной мозаики. В реакции глаза на свет участвуют все нейроны сетчатки, а также тесно связанные с ней эпителиальные клетки (см. дополнение 7-2). Центральная ямка представляет собой небольшой (1 мм2) центральный участок сетчатки, где достигается максимальная острота зрения (разрешающая способность). У человека и некоторых других млекопитающих с цветовым зрением в центральной ямке содержатся только колбочки, тогда как в остальной сетчатке представлены как колбочки, так и палочки. У млекопитающих колбочки ответственны за цветовое зрение, а более чувствительные к свету палочки за ахроматическое зрение. Такое различие функций палочек и колбочек свойственно не всем позвоночным; у некоторых из них в сетчатке имеются только палочки, но животные тем не менее могут быть способны к цветовому восприятию.

Два типа фоторецепторных клеток позвоночных гораздо менее разнообразны в структурном и функциональном отношении, чем представленные множеством различных форм фоторецепторы беспозвоночных. У каждой такой клетки имеется рудиментарная ресничка, которая соединяет содержащий рецепторные мембраны наружный сегмент с внутренним сегментом, где находятся ядро, митохондрии, синапсы и другие структуры (рис. 7-35). Рецепторная мембрана зрительных клеток позвоночных состоит из плоских пластинок, образованных поверхностной клеточной мембраной около того места, где начинается наружный сегмент. В колбочках млекопитающих и некоторых других позвоночных внутренняя полость каждой пластинки открывается в окружающее клетку пространство. В палочках пластинки полностью обособляются от поверхностной мембраны и образуют уплощенные мешки или диски (рис. 7-35), лежащие стопкой внутри наружного сегмента.

Такая стопка дисков полностью окружена поверхностной мембраной клетки (рис. 7-36). В мембраны дисков встроены молекулы фотопигмента; поэтому первичные процессы фотохимического преобразования должны происходить именно в дисках, а не в поверхностной клеточной мембране.

В отличие от фоторецепторов беспозвоночных, реагирующих на свет деполяризацией (рис. 7-37, А), палочки и колбочки позвоночных отвечают на с в е т гиперполяризационным рецепторным потенциалом (рис. 7-37, Б). Измерение проводимости мембраны до и после освещения показало, что свет вызывает в зрительных рецепторах позвоночных снижение проницаемости мембраны наружного сегмента для натрия. В темноте эта мембрана примерно одинаково проницаема для Na+ и К+; поэтому величина потенциала покоя лежит приблизительно посередине между Ек и ENa. Ионы натрия входят в наружный сегмент через каналы, которые в темноте все время открыты. Ионы натрия,

которые переносят внутрь клетки ток, чувствительный к свету ("темновой

в палочке уплощенные мешки образуются в результате впячивания мембраны и последующего отрыва от поверхностной мембраны у основания наружного сегмента. (R. W. Young. Visual Cells, 1970.)

Интересно, что стимуляция фоторецептора светом у позвоночных приводит не к деполяризации а к гиперполяризации (в большинстве рецепторов увеличение энергии стимула вызывает деполяризацию). Каким же образом гиперполяризация зрительного фоторецептора воздействует на нейроны, с которыми он образует синаптические контакты? В темноте внутренний сегмент фоторецептора, частично деполяризованный темновым током из наружного сегмента, непрерывно выделяет медиатор из своих пресинаптических участков. Под влиянием гиперполяризации, вызванной светом, освобождение медиатора замедляется! В следующей главе (разд. 8.4.2) мы увидим, как это отражается на сигнале в зрительном нерве.

Здесь уместно спросить, каким образом свет вызывает ослабление темнового тока? Вначале предполагалось, что фотохимическое изменение молекул зрительного пигмента в мембране диска приводит к открытию ее кальциевых каналов и что ионы Са2+, накопившиеся в высокой концентрации внутри диска, "вытекают" затем в цитоплазму наружного сегмента палочки, диффундируют к поверхностной мембране и блокируют здесь каналы, по которым ионы Na+ входят внутрь клетки, создавая темновой ток. Эту гипотезу подкреплял целый

242

Рис. 7.36. Электронная микрофотография участка палочки. Внутренний (внизу) и наружный (вверху) сегменты соединены видоизмененной ресничкой. Наружный сегмент содержит множество уплощенных мешков (дисков). Во внутреннем сегменте находятся ядро, митохондрии и другие обычные клеточные органеллы. × 28000. (Фото любезно предоставлено Т. Kuwabara.)

ряд данных, и она казалась весьма привлекательной, особенно ввиду аналогии с ролью Са2+ в регуляции мышечного сокращения. В науке проверка и опровержение (или подтверждение) какой-либо гипотезы-обычное дело. В данном случае новые подходы и методы исследования привели к опровержению прежней гипотезы и формулировке новой.

Согласно полученным недавно данным, связующим звеном между поглощением света фотопигментом и блокадой каналов, пропускающих темновой ток в наружный сегмент фоторецептора, служат не ионы Са2+, а ферментативное расщепление более сложной молекулы-циклического гуано- зин-3',5'-монофосфата, или cGMP (см. рис. 9-7), которое происходит в результате цепи событий, запускаемых фотоизомеризацией фотопигмента (рис. 7-39).

Утвердившееся недавно представление о cGMP как внутриклеточном посреднике, регулирующем активность мембранных каналов при поглощении

квантов света фотопигментом, основано на следующих важных фактах, выявленных в ряде лабораторий.

1. Фотостимуляция палочки запускает каскад ферментативных реакций, приводящих к гидролизу 3',5'-cGMP с образованием 5'-GMP. Эту реакцию катализирует фосфодиэстераза.

2 Подведение cGMP к внутренней поверхности мембраны наружного сегмента палочки (или колбочки) приводит к закрытию натриевых каналов.

3. С. другой стороны, изменение концентрации Са2+ у поверхностной мембраны никак не отражается на состоянии этих каналов. Важно, однако, что Са2+ может влиять на действие фосфодиэстеразы.

В новой гипотезе о процессах преобразования стимула в зрительных рецепторах позвоночных (рис. 7-39), основанной на этих фактах, предполагается, что в темноте cGMP "удерживает" каналы в

Рис. 7.37. Электрические реакции на свет зрительных клеток беспозвоночных и позвоночных. А. Фоторецепторы большинства беспозвоночных реагируют на свет увеличением проницаемости

поверхностной мембраны для ионов Na+ и К+. В результате мембранный потенциал сдвигается в сторону ENa и происходит деполяризация. Б. Фоторецепторы позвоночных реагируют на освещение снижением

проницаемости мембраны для Na+. В результате мембранный потенциал сдвигается от ENa в сторону Ек и происходит гиперполяризация. (Toyoda et aL, 1969.)

243

Рис. 7.38. Влияние света на темновой ток в палочках позвоночных. Проницаемость мембраны наружного сегмента для натрия в темноте высока (А), а на свету снижается (Б). Поэтому при освещении темновой

ток, обусловленный поступлением Na+ внутрь наружного сегмента, уменьшается. На эквивалентной электрической схеме (вверху слева) батарейка соответствует натриевому насосу, а активируемый светом

переменный резистор-проницаемости наружного сегмента для Na+ . (Hagins, 1972.)

открытом состоянии. Поглощение света фотопигментом приводит к уменьшению количества cGMP в цитоплазме и тем самым-к закрытию каналов. Вся последовательность событий, вероятно, выглядит следующим образом. Поглощение света фотопигментом вызывает активацию G-белка, связывающего GTP (гуанозинтрифосфат). (Этот связанный с мембраной белок служит регуляторным агентом в клетках самого разного типа-см. разд. 9.2.1).

Рис. 7.39. Модель фотопреобразования в палочке позвоночного. Новейшие данные указывают на то, что фотоизомеризация родопсина (Ро) приводит к активации GTP-связывающего белка (G), а он в свою очередь активирует фосфодиэстеразу (ФДЭ). Последняя затем гидролизует циклический GMP (cGMP) в обычный GMP. Поскольку cGMP поддерживает рецепторные каналы в темноте открытыми, превращение на свету cGMP в GMP вызывает закрытие этих каналов и уменьшение темнового тока. Сигнал об этом событии передается па пресинаптическую терминаль у основания внутреннего сегмента в результате распространения возникающего рецепторного потенциала. (Attwell, 1985.)

Активированный G-белок в свою очередь активирует фосфодиэстеразу. Все эти процессы протекают в плоскости мембраны диска. Активированная фосфодиэстераза гидролизует в цитоплазме cGMP, превращая его в обычный GMP. Уменьшение концентрации cGMP в цитоплазме приводит к закрытию каналов, пропускающих темновой ток, и этот ток уменьшается. Когда снова наступает темнота, под действием другого

244

фермента-гуанилатциклазы - происходит регенерация cGMP. Повышение уровня cGMP ведет к открытию каналов, и рецепторный ток восстанавливается до своего полного "темнового" уровня.

Исключено ли участие в этих событиях ионов Са2+ ? Вероятно, нет, так как их концентрация в цитоплазме при освещении изменяется (снижается). Поскольку известно, что снижение уровня Са2 + уменьшает активность фосфодиэстеразы, гидроли-зующей cGMP, и стимулирует гуанилатциклазу, регенерирующую cGMP, можно думать, что вызываемое светом уменьшение концентрации Са2+ в цитоплазме играет важную роль в зрительной адаптации у позвоночных.

Одна из привлекательных сторон гипотезы о cGMP как "вторичном посреднике" в процессе фоторецепции у позвоночных - то, что она позволяет

объяснить очень большое усиление сигнала. Как уже говорилось (разд. 7.1), поглощение даже одного фотона может изменить величину сигнала на выходе палочки. Согласно рассматриваемой гипотезе, фотоизомеризация одной молекулы фотопигмента вызывает каскад реакций, каждая из которых во много раз усиливает эффект предыдущей. Так, если одна молекула фотопигмента активирует 10 молекул G-белка, одна молекула G-белка активирует 10 молекул фосфодиэстеразы, а каждая молекула фосфодиэстеразы в свою очередь гидролизует 10 молекул cGMP, фотоизомеризация одной молекулы пигмента сможет вывести из строя 1000 молекул cGMP. Из этих произвольных, но скорее заниженных цифр нетрудно понять, как может усиливаться сенсорный сигнал с помощью каскада ферментативных реакций.

245

241 :: 242 :: 243 :: 244 :: 245 :: Содержание

245 :: 246 :: Содержание

7.9.3. Зрительные пигменты

Спектр электромагнитного излучения простирается от γ-лучей с длиной волны всего лишь 10-12см до радиоволн длиной свыше 106см (рис. 7-40). Область электромагнитного спектра между 108 и 102 см называется светом. Человек видит лишь небольшую часть этой области - примерно от 400 до 740 нм. Электромагнитные волны меньшей длины относятся к ультрафиолетовой (УФ) части спектра, а большей длины - к инфракрасной области; ни те ни другие глазом человека и других млекопитающих не воспринимаются. То, что человек не видит эти волны, не связано, однако, с каким-либо их качественным отличием от волн видимой части спектра. Люди, у которых из-за катаракты был удален хрусталик (поглощающий УФ-излучение), могут видеть и ультрафиолет, невидимый для нормального глаза. Сложный глаз насекомых тоже воспринимает УФ-лучи; поэтому некоторые цветы, весьма невзрачные для глаз млекопитающих, насекомым могут казаться гораздо красивее благодаря наличию в них пигментов, отражающих ультрафиолетовые лучи.

Энергия одного кванта равна постоянной Планка, деленной на длину волны излучения λ (в сантиметрах):

Таким образом, энергия кванта увеличивается с уменьшением длины волны. Кванты излучения с длиной волны меньше 1 нм обладают столь высокой энергией, что они разрушают химические связи и атомные ядра. При длине волны больше 1000 нм энергии кванта недостаточно для изменения молекулярной структуры вещества. Пигменты, которые используются живыми организмами для поглощения лучистой энергии солнца, отбирались в процессе эволюции по признаку максимальной способности поглощать свет в промежуточной области. Когда молекула фотопигмента поглощает квант излучения, она переходит в возбужденное состояние (при этом изменяются орбиты электронов, участвующих

Рис. 7.40. Спектр электромагнитного

излучения. (Lehninger, 1965.)

245

вобразовании двойных связей). Этот процесс - основа фотосинтетического превращения лучистой энергии в химическую энергию у растений; он же лежит

воснове фоторецепции у животных. Интересно, что фотохимические свойства всех известных органических пигментов обусловлены присутствием в их молекуле углеродной цепочки или кольца с чередующимися одиночными и двойными связями.

246

245 :: 246 :: Содержание

В темноте опсин и ретиналь тесно связаны, причем ретиналь находится в 11-цис-конфигурации (рис. 7-41, А). Как полагают, ретиналь точно "пригнан" к определенному участку молекулы опсина (рис. 7-41, В). Поглощение светового кванта вызывает изомеризацию 11-цис-ретиналя в полностью-транс-форму с

образованием люмиродопсина (рис. 7-42). Цистранс-изомеризация -

единственный эффект, вызываемый светом в зрительном пигменте, и это первичное событие (превращение 11-цис-ретиналя в полностью-транс- ретиналъ) - единственная реакция во всей цепи событий, которая не происходит спонтанно. Все последующие события-это реакции с выделением энергии, протекающие при физиологических температурах (температуре тела) спонтанно. Превращение 11-цис- в полностъю-транс-реткяалъ сопровождается распрямлением конъюгированной цепи ретиналя с образованием метародопсина I. В результате конформация опсина изменяется, так как полностъю-транс-ретттзлъ "не подходит" теперь к специфическому участку его молекулы (рис. 7-41, В). Конформационное изменение опсина, очевидно, вызывает активацию G-белка,- запускающего ферментативный каскад, в результате которого происходит гидролиз cGMP и закрытие натриевых каналов

(разд. 7.9.2).

Последующие химические превращения ретиналя (рис. 7-42), по-видимому, не связаны с возбуждением зрительных рецепторных клеток, однако необходимы для восстановления родопсина. Метаро-допсин спонтанно гидролизуется до ретиналя и опсина, которые снова и снова включаются в повторные циклы обесцвечивания и восстановления родопсина. Исчезающий или химически разрушаемый ретиналь регенерируется из витамина А1 (ретинола), запасенного в клетках пигментного эпителия, которые активно поглощают этот витамин из крови. Недостаток витамина A 1 в пище приводит к замедлению синтеза ретиналя и тем самым - к уменьшению количества родопсина. В результате чувствительность глаза к свету ослабевает и развивается так называемая ночная слепота.

246

Видимо, в качестве простетической группы во всех зрительных пигментах используется 11-цис-ретиналь или 11-цис-3-дегидроретиналь, присоединяющийся к специфическим молекулам опсина. Спектр поглощения данного зрительного пигмента зависит от электронной структуры хромофоратой части его молекулы, которая поглощает фотоны и состоит из каротиноидной простетической группы и тесно связанных с ней участков опсина. Простетической группой родопсинов, к которым у человека помимо пигмента палочек относятся еще три колбочковых пигмента, является ретиналь. Каждый из колбочковых родопсинов характеризуется определенным спектром поглощения, что, как мы увидим в следующем разделе, имеет важное значение для цветового зрения. Еще один каротиноид зрительных клеток - 3- дегидроретиналь - отличается от ретиналя лишь одной двойной связью в кольцевой структуре и входит в состав порфиропсинов.

Наличие у разных животных опсинов и порфиропсинов обнаруживает интересные экологические закономерности. У наземных позвоночных все зрительные пигменты - родопсины; они есть и у беспозвоночных, в том числе у мечехвоста (Limulus), насекомых и ракообразных. Порфиропсины весьма обычны у пресноводных и эвригалинных рыб и некоторых земноводных. У рыб, мигрирующих из пресных вод в море, во время миграции порфлропсины заменяются родопсинами. Выявлена корреляция между присутствием у животного зрительных пигментов с большей чувствительностью к красному участку спектра (порфиропсинов) и преобладанием в окружающей среде длинноволнового света. Предполагается, что замена порфиропсина на родопсин у рыб, переходящих из пресного водоема в

Рис. 7.4L Каротиноид ретиналь, имеющий в темноте

изогнутую 11-иис-конфигурацию (А), на свету распрямляется, превращаясь в полностью-транс-ретиналь

(Б). (R. Hubbard, A. Kropt. Molecular Isomers in Vision, 1967.) В. Гипотетический механизм, который мог бы приводить к конформационному изменению опсина при изомеризации ретиналя. До фотохимической изомеризации 11-цис-изомер ретиналя плотно "пригнан" к молекуле белка; реагируя на свет, ретиналь превращается в полностью-тргмс-изомер и, распрямляясь, вызывает конформационное изменение опсина.

247

Рис. 7.42. Цикл зрительного пигмента. Последовательность реакций, начинающаяся с фотохимической изомеризации ретиналя, приводит к диссоциации родопсина на ретиналъ и опсин. (S. В. Hendricks. How Light Interacts with living Matter, 1968.)

море, имеет адаптивное значение и связана с большей способностью родопсина поглощать коротковолновый (синий) свет, преобладающий в океанских глубинах.

248

246 :: 247 :: 248 :: Содержание

Рис. 7.43. Микроспектрофотометрическое изучение колбочек

золотой рыбки позволило выявить три спектра поглощения, каждый из которых соответствует определенному зрительному пигменту с характерным для него максимумом (Marks, 1965). У человека кривая для соответствующего "длинноволнового" пигмента имеет максимум примерно при 560 нм, т. е. в желтой области спектра. .

никакого влияния на молекулу пигмента он не оказывает. Поглощенный фотон передает часть своей энергии молекуле пигмента. Такой процесс переноса энергии означает, что волны разной длины будут возбуждать фоторецепторную клетку (что выражается в ее спектре действия) пропорционально тому, насколько эффективно пигмент этой клетки поглощает эти волны (т.е. в соответствии с ее спектром поглощения света).

Существование трех типов колбочковых пигментов было подтверждено данными о существовании трех электрофизиологических типов пигмента со спектрами действия, соответствующими спектрам поглощения (рис. 7-44). Таким образом, в настоящее время трихроматическая теория Юнга может быть сформулирована с учетом данных о колбочковых пигментах. Обнаружены три типа колбочек, в каждом из которых содержится зрительный пигмент, максимально чувствительный к синему, зеленому или желтому свету. Электрический сигнал на выходе колбочек того или иного типа зависит от количества квантов, возбуждающих фотопигмент. Цветовое ощущение, очевидно, определяется соотношением между нервными сигналами от каждого из этих трех типов колбочек.

Читателя может удивить кажущееся несоответствие между тремя типами колбочковых пигментов -синего, зеленого и желтого-и тремя "основными" цветами-синим, желтым и красным. Но хотя максимумы поглощения зрительных пигментов и не

Рис. 7.44. Спектры действия трех типов колбочек карпа. А-В. Электрические реакции отдельных колбочек на вспышки света с разной длиной волны (указанной на шкале сверху). Г. Графики зависимости амплитуды электрических ответов колбочек от длины волны позволили выявить три класса колбочек, у каждого из которых спектр действия близок к одному из спектров поглощения, представленных на рис. 7.43. (Tomita et al, 1967.)

совпадают с тремя основными цветами, существенного противоречия в этом нет, поскольку свет любой длины волны (как и свет, состоящий из сочетания волн разной длины) создает уникальное соотношение между уровнями возбуждения цветовых рецепторов трех типов. Такое соотношение теоретически может обеспечить нервную систему, перерабатывающую сигналы от "трехпигментной" зрительной системы, достаточной информацией для идентификации любых световых волн видимой части спектра.

Цветовое зрение было выявлено у представителей всех классов позвоночных. Трудно сделать какие-то обобщения о вкладе палочек и колбочек в цветовое зрение. Как правило, оно связано с наличием в сетчатке колбочек, однако в ряде случаев были обнаружены и "цветные" типы палочек. Например, у лягушки помимо колбочек имеются два типа палочек - "красные" (содержат родопсин и поглощают сине-зеленый свет) и "зеленые" (содержат пигмент, поглощающий свет синей части спектра). Из беспозвоночных способность различать цвета, в том числе и ультрафиолетовые лучи, хорошо развита у насекомых.

249

У человека и, вероятно, у других приматов в цветовом зрении участвуют главным образом колбочки. Что в этом отношении можно сказать о палочках? В сетчатке человека палочки имеются только за пределами центральной ямки и играют важную роль главным образом при слабой освещенности. Это объясняется двумя обстоятельствами. Во-первых, палочки более чувствительны к свету, чем колбочки. Во-вторых, в их нервных связях сильнее выражена конвергенция, чем в связях колбочек (см. рис. 8-14, Б), и это обеспечивает

большую возможность суммации слабых стимулов. Поскольку у человека за цветовое зрение ответственны колбочки, при очень слабом освещении мы различаем лишь оттенки черного и серого. А так как в центральной ямке имеются в основном колбочки, мы лучше воспринимаем слабый свет, попадающий на участки вне центральной ямки-туда, где популяция палочек больше. Например, небольшая звездочка на небе кажется нам ярче, если ее

изображение оказывается не в самой ямке, а в непосредственной близости от нее.

250

248 :: 249 :: 250 :: Содержание

250 :: 251 :: 252 :: Содержание

7.10. Оптические приспособления

Примитивные животные обладают лишь приспособлениями, позволяющими определять направление источника света и изменение его интенсивности; более совершенные зрительные системы формируют изображение зрительного стимула с помощью оптических механизмов. У простейших и у плоских червей направление источника света определяется с помощью экранирующего пигмента, отбрасывающего на фоторецептор тень. Например, у некоторых жгутиковых имеется светочувствительная органелла, расположенная у основания жгутика и экранированная с одной стороны пигментным пятном. Такая экранированная органелла позволяет простейшему грубо определять направление на источник света. Когда жгутиконосец плывет, он вращается вокруг своей продольной оси, делая примерно один оборот в секунду. При попадании животного в луч света, направленный сбоку перпендикулярно пути его передвижения, светочувствительная органелла у основания жгутика при каждом обороте на какое-то время затеняется. Всякий раз, когда это происходит, жгутик совершает движение, слегка поворачивающее животное в ту сторону, где в тот момент находится экранирующий пигмент. Поскольку это соответствует направлению к источнику света, жгутиконосец мало-помалу поворачивается именно туда. У одной из групп морских простейших есть даже специальная линзоподобная клеточная органелла, расположение которой позволяет фокусировать свет на "пигментную чашечку". Хотя такая органелла и способна формировать грубые изображения, одноклеточный организм вряд ли может использовать их для зрительного различения объектов. Линза для этого нужна, но одной только линзы, однако, недостаточно-необходим также пространственный анализ изображения рецепторными клетками. В большинстве типов глаз, способных формировать изображение, такой анализ осуществляют многочисленные рецепторные клетки сетчатки, каждая из которых воспринимает какой-то один элемент изображения и передает информацию в ЦНС в виде соответствующей последовательности импульсов (рис. 7-45, А). Несколько сложнее обстоит дело в фасеточных глазах членистоногих.

7.10.1. Сложные глаза членистоногих

В сложных (фасеточных) глазах членистоногих формируется изображение с помощью многочисленных оптических единиц (омматидиев), воспринимающих разные участки поля зрения (рис. 7-45, Б, слева). Каждый омматидий анализирует свой участок диаметром около 2-3º. Поэтому острота зрения такого сложного глаза меньше, чем у глаза позвоночных, в котором каждый рецептор может воспринимать участок величиной всего лишь 0,02º. Таким образом, мозаичное изображение (рис. 7-45, Б, справа), проецируемое на зрительные клетки сложного глаза насекомого, намного грубее, нежели изображение в глазу позвоночного.

Детали структуры и оптики сложных глаз у разных членистоногих весьма

воспринимает стрекоза. (Мазохин-Поршняков, 1969.)

по-разному. Оказалось, что многие членистоногие могут реагировать на изменение плоскости электрического вектора поляризованного света и использовать эту информацию для ориентировки. Измерение двойного лучепреломления (способность вещества по-разному поглощать свет, поляризованный в разных плоскостях) в ретикулярных клетках сложного глаза речного рака показывает" что поглощение поляризованного света достигает максимума, когда плоскость электрического вектора света параллельна продольным осям микроворсинок, образующих рабдомер ретикулярной клетки (рис. 7-47). Рабдомеры семи ретикулярных клеток каждого омматидия накладываются друг на друга и образуют две группы. Микроворсинки одной группы расположены под прямым углом к микроворсинкам другой. Если молекулы фотопигмента ориентированы в микроворсинках определенным образом и предпочтительно поглощают свет, электрический вектор которого параллелен микроворсинке, то можно предположить, что именно такая организация микроворсинок служит анатомической основой способности членистоногих определять плоскость поляризации света. Запись электрической активности одиночных ретикулярных клеток (рис. 7-48) показала, что реакция клетки на свет данной интенсивности зависит от плоскости его поляризации, что согласуется с фактом предпочтительного поглощения света, плоскость поляризации которого параллельна микроворсинкам.

251

Рис. 7.47. Детектор поляризованного света в глазу ракообразного. А. Перекрывающие друг друга рабдомеры различных ретикулярных клеток состоят из взаимно перпендикулярных микроворсинок (Horridge, 1968). Б. Срез рабдома, проходящий через две группы микроворсинок (электронная микрофотография, х 24 000). Через верхнюю группу микроворсинок разрез прошел параллельно их продольным осям, через нижнюю-перпендикулярно. (Waterman et al., 1969.)

Рис. 7.46. А. В сложном глазу одного типа (например, в глазу мечехвоста) все ретинулярные клетки омматидия "смотрят" приблизительно в одну и ту же точку пространства. Б. В сложном глазу другого типа клетки с одним направлением "взора" распределены между семью или восемью омматидиями (по одной в каждом); на рисунке это показано цветными стрелками. Выходы таких клеток, относящихся к разным омматидиям, конвергируют на одной и той же вторичной клетке. (Б.-Kirschfeld, 197L)

Рис. 7.48. Электрофизиологическое подтверждение способности глаза ракообразного воспринимать поляризацию света. Две клетки, а и б, стимулировали серией вспышек поляризованного света с разной длиной волны (энергия вспышек была одинаковой; длина волны указана на шкалах внизу). Клетка а давала максимальный ответ приблизительно при 650 нм, клетка б - при 450 нм. Когда плоскость поляризации света была параллельна микроворсинкам, клетки реагировали слабо (слева). Если же плоскость поляризации была перпендикулярна микроворсинкам, ответы обеих клеток значительно усиливались (справа). (Waterman, Fernandez, 1970.)

252

250 :: 251 :: 252 :: Содержание

253 :: 254 :: 255 :: Содержание

7.10.2. Глаз позвоночных

Глаз позвоночного своим строением напоминает фотокамеру (рис. 7-49). Хрусталик фокусирует проходящий сквозь зрачок свет и формирует на сетчатке перевернутое изображение предмета. В фотокамере изображение фокусируют на пленке, перемещая объектив вдоль оптической оси. Для фокусировки близких предметов объектив должен удаляться от пленки. Таким же способом фокусируется изображение в глазах некоторых костистых рыб. У пауковскакунов хрусталик в глазу жестко фиксирован, а вместо этого подвижна сетчатка. У высших позвоночных фокусировка происходит не за счет подвижности хрусталика или сетчатки, а путем изменения формы хрусталика и, как следствие, его фокусного расстояния. Хрусталик подвешен в глазу на радиально расположенных волокнах пояска. Эти соединительнотканные волокна, начинающиеся у наружного края цилиарного тела и прикрепленные к внешнему ободку (экватору) хрусталика, вызывают его радиальное растяжение. Когда радиально ориентированные мышечные волокна цилиарного тела расслаблены, хрусталик несколько уплощен, так как его растягивают эластичные волокна пояска. Аккомодация при рассматривании близких предметов осуществляется путем сокращения радиально направленных волокон гладкой мускулатуры цилиарного тела; при этом начальные участки поясковых волокон, примыкающие к наружному краю цилиарного тела, приближаются к хрусталику, что ослабляет их растягивающее воздействие на хрусталик. Это приводит к увеличению выпуклости хрусталика, уменьшению его фокусного расстояния и, таким образом, к фокусировке глаза на близкие предметы. Рефракция света происходит в основном у передней поверхности роговицы, так как именно здесь наиболее сильно изменяется показатель преломления. При аккомодации, однако, на этот основной светопреломляющий эффект накладываются еще аналогичные эффекты, связанные с изменением фокусного расстояния хрусталика при сокращении цилиарного тела. Способность к аккомодации у человека с возрастом ослабевает, и тогда возникает необходимость в бифокальных очках.

Вероятно, самое удивительное в аккомодации - не механические приспособления, изменяющие фокусное расстояние хрусталика, а нервные механизмы, благодаря которым импульсы к цилиарной мышце рефлекторно регулируют точную фокусировку "нужного" изображения на сетчатке. Согласованно с ними действуют и нервные механизмы, ответственные за бинокулярную конвергенцию, при которой оптические оси обоих глаз располагаются таким образом, что формирующиеся в них изображения предмета попадают в аналогичные участки обеих сетчаток независимо от расстояния предмета от глаз.

Рис.

7.49. Глаз млекопитающего. На сетчатке, на задней стенке глаза, создается перевернутое изображение предмета. Процесс преломления света на рисунке упрощен (не отражено преломление на поверхности раздела воздух/роговица). Цилиарное тело прикреплено в зоне лимба; когда оно сокращается, напряжение волокон пояска уменьшается и упругий хрусталик становится более выпуклым. Поскольку центральная ямка расположена не точно по ходу оптической оси, эта ось не совпадает со зрительной осью.

253

В фотокамере интенсивность света, падающего на пленку, регулируется размером отверстия механической диафрагмы, через которое свет проходит, внутрь камеры при открытии затвора. Аналогом механической диафрагмы в глазу является непрозрачная радужная оболочка. В ее центре имеется отверстие - зрачок, через который свет попадает в глаз. При сокращении круговых волокон гладкой мускулатуры радужной оболочки диаметр зрачка уменьшается и в глаз проникает меньше света. Сокращение радиальных мышечных волокон ведет к расширению зрачка. Работа всех этих волокон, а тем самым и диаметр зрачка регулируются рефлексами с сетчатки. Зрачковый рефлекс можно наблюдать в темной комнате, освещая глаза другого человека вспышкой света.

Изменения диаметра зрачка носят кратковременный характер. Через несколько минут зрачок постепенно возвращается к обычному состоянию. Кроме того, площадь зрачка способна увеличиваться всего лишь примерно в пять раз, что не позволяет зрачку в достаточной мере "нейтрализовать" те изменения освещенности, с которыми постоянно сталкивается глаз в обычных условиях (интенсивность света может меняться на много порядков). Зрачковый рефлекс способен обеспечить адаптацию лишь в небольшом диапазоне изменений освещенности; он полезен главным образом при быстром приспособлении к умеренным изменениям интенсивности света. Обесцвечивание и восстановление зрительного пигмента и нервные механизмы адаптации-более эффективные способы приспособления к экстремальным условиям освещенности. Одно из последствий сужения зрачка - формирование более четкого изображения на сетчатке: при суженном зрачке от света экранируются края хрусталика, которые, будучи оптически менее

рецептором импульсов тоже постоянно. Это вполне понятно, так как реакция рецептора на свет определяется (в известных пределах) числом молекул фотопигмента, изменяющих свою структуру под действием поглощаемых фотонов. При коротких

254

Рис. 7.1’’. Слияние мельканий на уровне рецепторной клетки. Включение и выключение света показано ломаными линиями под записями электрической активности. А. 'При частоте 10 вспышек в секунду реиепторный потенциал изменяется с этой же частотой. При 12 вспышках в секунду реиепторный потенциал начинает отставать от ритма световых вспышек и генерирование импульсов группами нарушается. Б. При высокой частоте вспышек (в данном случае около 16 в секунду) рецепторные потенциалы сливаются по существу в постоянную деполяризацию и моменты возникновения импульсов уже не приурочены к световым вспышкам. (Miller W.H., RatliffF., Hartline К., 1961.)

вспышках человек не в состоянии раздельно воспринимать взаимосвязанные изменения в их интенсивности и длительности.

Если рецептор стимулировать мелькающим светом, то его мембранный потенциал будет изменяться в ритме вспышек вплоть до частот около 10 Гц (рис. 7-1’’). При больших частотах мельканий рецепторный потенциал уже "не успевает" изменяться столь быстро и колебания мембранного потенциала сливаются в непрерывную деполяризацию. В результате рецептор перестает генерировать отдельную группу импульсов в ответ на каждую вспышку и переходит к импульсации постоянной частоты. ЦНС перестает теперь получать информацию о частоте мельканий, что равнозначно стимуляции глаза постоянным светом. Это одна из причин того, почему человек не в состоянии отличать непрерывный свет от света, частота пульсаций которого превосходит

критическую частоту слияния мельканий (каков, например, свет лампы,

питаемой переменным током с частотой 60 Гц). Понятно, что это свойство фоторецепторов имеет огромное значение для кинематографии и телевидения.

Дополнение 7-2. Электроретинограмма

Поскольку записывать суммарную электрическую активность глаза гораздо проще, чем регистрировать активность отдельных клеток микроэлектродами, такую запись нередко осуществляют в лечебных лабораториях. Регистрирующий электрод (обычно это ватный тампон, смоченный физиологическим раствором) помещают на роговицу глаза, а индифферентный электрод прикрепляют к какой-нибудь другой части тела. При освещении глаза вспышкой света регистрируется сложная волна (рис. 7-2'). Эта Электроретинограмма (ЭРГ) отражает главным образом суммарную электрическую активность зрительных

рецепторов и нейронов сетчатки (см. рис. 8-26). После года дискуссий о структурных коррелятах различных компонентов ЭРГ исследователи пришли к выводу, что волна а обусловлена рецепторным током, генерируемым зрительными рецепторными клетками. За волной а следует волна &, отражающая электрическую активность нейронов сетчатки, иннервируемых рецепторными клетками. Волна с наблюдается только у позвоночных, и ее, вероятно, создают лежащие уже вне сетчатки клетки пигментного эпителия, к

Рис. 7.2’. Компоненты электроретинограммы (ЭРГ) позвоночного. На нижней линии указаны моменты включения и выключения светового стимула. Верхняя кривая отображает компоненты ЭРГ-волны a, b и с. (Brown, 1974.)

которым примыкают наружные сегменты фоторецепторов. У головастиков, до того как образуются синаптические .контакты, в ЭРГ выявляется только волна а: только она обнаруживается и в ЭРГ взрослой лягушки, если синаптическую передачу у животного подавить блокирующим агентом.

255

253 :: 254 :: 255 :: Содержание

256 :: 257 :: Содержание

7.11. Резюме

Отличаясь высокой чувствительностью к стимулам специфической модальности (т. е. типа, качества), рецепторные клетки почти не реагируют на стимулы других модальностей. В результате преобразования энергии стимула в электрический сигнал в рецепторных клетках, как правило (но не всегда), развивается деполяризация. Наиболее эффективно происходит преобразование энергии слабых стимулов, так что энергия, содержащаяся в сигналах рецептора, бывает на несколько порядков больше энергии стимула. С увеличением силы стимула эффективность процесса преобразования падает. В большинстве рецепторных клеток первичными центрами рецепции и преобразования энергии внешних стимулов служат рецепторные молекулы поверхностной мембраны или внутриклеточных мембран. Активация этих молекул ведет к изменению ионной проницаемости клеточной мембраны, что создает условия для протекания рецепторного тока и возникновения рецепторного потенциала, который инициирует или модулирует потенциалы действия в сенсорных нервах. Интенсивность стимула обычно кодируется частотой разрядов, которая во многих сенсорных волокнах приблизительно пропорциональна логарифму интенсивности стимула (в диапазоне, ограниченном максимальной частотой импульсов в волокне). Логарифмическая зависимость между силой стимула и ответом рецептора делает возможной рецепцию стимулов в широком динамическом диапазоне, обеспечивая в то же время высокую чувствительность к слабым стимулам. Параллельные входы от рецепторов, оптимально воспринимающих стимулы в разных диапазонах интенсивности, позволяют сенсорной системе перерабатывать сигналы в гораздо более широком диапазоне, чем в том случае, если бы сигналы поступали только от рецепторов какогонибудь одного типа. Постепенное уменьшение чувствительности к длительно воздействующему стимулу (так называемая сенсорная адаптация) - весьма обычное свойство рецепторных клеток, но одни клетки адаптируются к стимулам быстро, а другие медленно. Процессы, ответственные за сенсорную адаптацию, различны; некоторые из них развиваются в самой рецепторной клетке, другие - в нервной системе. По крайней мере в одном случае (в фоторецепторах мечехвоста) адаптация отчасти обусловлена повышением внутриклеточной концентрации ионов Са2+ , которые блокируют активацию Na+-К+-ион-селективных каналов светом.

В одних случаях рецепторные клетки встречаются поодиночке, в других они организованы в сенсорные ткани и органы (обонятельный эпителий носа, сетчатка глаза). Анатомическая организация может играть очень важную роль в функционировании сенсорного органа. Например, изображение предмета, формирующееся в зрительной системе, зависит от наличия в глазу хрусталика и мозаики многочисленных фоторецепторных клеток в сетчатке.

Процессы хеморецепции (вкус, обоняние) в настоящее время изучены еще недостаточно. Согласно одной из гипотез, хеморецепция определяется

стереохимической специфичностью молекул-рецепторов - тем, что стимулирующие молекулы точно соответствуют конфигурации белкового рецепторного участка рецепторной мембраны. Механорецепция связана с деформацией или растяжением мембраны, приводящими к изменению ее ионной проницаемости. Направление перемещения воспринимается в результате наклона стереоцилий волосковых клеток, модулирующего (в сторону увеличения или уменьшения) частоту спонтанных разрядов в сенсорных волокнах VIII черепномозгового нерва. Этот процесс играет важную роль в органах равновесия и слуха, а также в системе боковой линии рыб и земноводных. Улитка млекопитающих анализирует частоты звуков в соответствии с тем, насколько эффективно они смещают различные участки базилярной мембраны с ее волосковыми клетками. Бегущие волны, возникающие в базилярной мембране под влиянием вызванных звуками движений барабанной перепонки и слуховых косточек, стимулируют волосковые клетки, которые в свою очередь через синапсы модулируют активность слуховых нервных волокон. То обстоятельство, что звук данной частоты стимулирует определенный участок базилярной мембраны эффективнее, чем звуки иных частот, лежит в основе так называемой "пространственной теории" различения частот у млекопитающих.

Электрорецепторами у рыб служат модифицированные волосковые клетки, утратившие реснички. Внешние электрические токи, проходящие через электрорецептор, вызывают в нем изменения потенциала, которые модулируют освобождение медиатора из основания рецепторной клетки и определяют таким образом частоту разрядов в сенсорных волокнах.

В мембранах зрительных рецепторов имеются молекулы светочувствительного пигмента, которые, поглотив фотон, подвергаются конформационному изменению. Это инициирует каскад реакций, приводящих к изменению проводимости клеточной мембраны рецептора. Все зрительные пигменты состоят из белковой молекулы (опсина), связанной с каротиноидной хромофорной частью, представленной либо ретиналем (в случае родопсина), либо дегидроретиналем (в случае порфиропсина). Особенности структуры опсина определяют спектр поглощения пигмента. Первичным процессом всех

256

зрительных реакций является цистранс-изоизомеризация каротиноида. Эта фотохимическая реакция приводит к открытию (у беспозвоночных) или закрытию (у позвоночных) мембранных каналов благодаря цепи событий с участием вторичных посредников. В палочке позвоночных обесцвечивание молекулы родопсина под действием света ведет к активации молекул G-белка, связанных с рецепторной мембраной. Каждая молекула G-белка затем активирует много молекул фосфодиэстеразы, а каждая молекула фосфодиэстеразы гидролизует много молекул внутриклеточного посредника cGMP, превращая их в "обычный" GMP. В темноте cGMP поддерживает постоянную активность натриевых каналов, через которые протекает темновой ток. Гидролиз cGMP при воздействии света, таким образом, приводит к

уменьшению темнового тока. Уменьшение темнового тока вызывает гиперполяризацию зрительной рецепторной клетки, и в результате этого замедляется выделение нейромедиа-тора из внутреннего сегмента рецептора. Замедление секреции медиатора приводит к изменению активности в волокнах зрительного нерва, сигнализирующему о фотостимуляции рецепторных клеток сетчатки.

В центральной ямке некоторых позвоночных имеются три типа колбочек, каждый из которых содержит зрительный пигмент с максимальной чувствительностью в определенной области спектра. Различные цветовые ощущения возникают в результате интеграции активности колбочек каждого из этих трех типов. Палочки, которые у человека содержат только один тип фотопигмента и с большой плотностью расположены на периферических участках сетчатки (за пределами центральной ямки), отличаются от колбочек большей чувствительностью к свету и гораздо большей конвергенцией в системе выходных путей. В связи с этим палочки играют важную роль в светоощущении, но не могут обеспечить значительную остроту зрения.

257

256 :: 257 :: Содержание

257 :: 258 :: Содержание

7.12. Вопросы для повторения

1.Зрительные рецепторные клетки помимо света могут стимулироваться давлением, теплом и электрическим током. Как этот факт согласуется с представлением о специфичности рецепторов?

2.Проследите события, развивающиеся между поглощением рецепторной клеткой энергии и возникновением разрядов в сенсорном нейроне, иннервирующем эту клетку.

3.Почему рецепторные потенциалы должны преобразовываться в потенциалы действия?

4.Вся сенсорная информация поступает в ЦНС в виде потенциалов действия с одинаковыми свойствами. Как же тогда ЦНС различает разные модальности стимулов?

5.Каким образом рецепторы могут воспринимать и чрезвычайно слабые стимулы, и стимулы, интенсивность которых на много порядков больше, без эффекта "насыщения"?

6.Какой количественной зависимостью обычно связаны интенсивность стимула и частота разрядов? Какие преимущества это дает сенсорной системе?

7.Обсудите три главных механизма сенсорной адаптации.

8.Обсудите на каком-либо примере влияние ЦНС на чувствительность рецепторов.

9.Для хеморецепции, вероятно, требуется присутствие на мембране (или внутри нее) белковых рецепторных молекул. Какими, на ваш взгляд, должны быть важнейшие свойства хеморецеп-торных белков?

10.Бекеши заметил, что звуковые волны вызывают бегущую волну, распространяющуюся по всей длине базилярной мембраны. Каким образом теория Бекеши объясняет различение частот с помощью улитки?

11.В чем различие между механизмами частотного анализа в гипотезе бегущей волны Бекеши и в резонансной теории Гельмгольца?

12.Каким образом движения базилярной мембраны преобразуются в разряды волокон слухового нерва?

13.Как спонтанная импульсация может повышать чувствительность некоторых рецепторных систем, например электрорецепторов боковой линии рыб?

14.Каким образом электрорецепторы "низковольтных" электрических рыб воспринимают присутствие внешнего предмета?

15.Какие свойства зрительных рецепторных клеток могут определять присущую зрительной системе частоту слияния мельканий?

16.В чем главное различие электрической реакции на освещение фоторецепторных клеток сетчатки у позвоночных и беспозвоночных животных?

17.Проследите основные события, с которыми, по современным представлениям, связано преобразование световой энергии в зрительных рецепторах позвоночных.

18.Какие современные данные подтверждают трихроматическую теорию

цветового зрения Юнга?

19.Рассмотрите основные морфологические и функциональные различия между палочками и колбочками позвоночных.

20.Каким образом зрительная система некоторых членистоногих улавливает различия в поляризации света?

257

21.Сравните способы фокусировки оптического изображения в глазу млекопитающих и костистых рыб.

22.Видимый свет ограничен узкой частью спектра между 350 и 700 нм. Почему в процессе эволюции животные приспособились использовать для зрительного восприятия столь ограниченный диапазон электромагнитных волн?

258

257 :: 258 :: Содержание

258 :: Содержание

ЛИТЕРАТУРА

Attwell D. 1985. Phototransduction changes focus, Nature, 317, 14-55. Baylor D.A., O'Bryan P.M. 1971. Electrical signaling in vertebrate photoreceptors, Federation Proc., 30, 79-83.

Bekesy G. von. 1960. Experiments in Hearing, New York, McGraw-Hill Bekesy G. von. 1970. Traveling waves as frequency analyzers in the cochlea, Nature, 225, 1207-1209.

Burn E. T. 1974. The Senses of Animals, New York, Springer-Verlag.

Fain G.L., Lisman J.E. 1981. Membrane conductances of photoreceptors, Progr. Biophys. Molec. BioL, 37, 91-147.

Fain G. L. 1980. Integration by spikeless neurones in the retina. In: A. Roberts and В. М. Bush, eds., Neurones Without

Impulses, Cambridge, Cambridge University Press. Fein A., Szuts E.Z. 1982. Photoreceptors: Their Role in Vision,

Cambridge, Cambridge University Press. Geldard F.A. 1972. The Human Senses, New York, Wiley. Hubbell W. L., Bownds D. 1979. Mechanisms of visual transduction, Ann. Rev. NeuroscL, 2, 17-34. Lancet D. 1986. Vertebrate olfactory reception, Ann. Rev.

NeuroscL, 9, 329-356. Loewenstein W.R. 1971. Handbook of Sensory Physiology:

Principles of Receptor Physiology, New York, Springer-

Verlag. McGoughJ.L., Weinberger N. M., Whalen R.E., eds. 1967. Psychobiology: Readings from Scientific American, New

York, W. H. Freeman and Company. Nathans J. 1987. Molecular biology of visual pigments, Ann.

Rev. Neurosci., 10, 163-194. Rushton W.A.H. 1972. Pigments and signals in colour vision, J.

PhysioL, 220, 1-3IP. Russell I.J. 1980. The responses of vertebrate hair cells to mechanical stimulation. In: A. Roberts and B. M. Bush, eds., Neurones Without Impulses, Cambridge, Cambridge

University Press. Schwartz E. A. 1985. Phototransduction in vertebrate rods, Ann. Rev. Neurosci., 8, 339-368. Sensory Receptors 1965. Cold Spring Harbor Symp. Quant.

BioL, Vol. 30. Stryer I. 1986. Cyclic GMP cascade of vision, Ann. Rev. Neurosci., 9, 87-120.

258

258 :: Содержание

259 :: 260 :: Содержание

Глава 8

Переработка информации в нервной системе и поведение

Мало найдется в природе явлений, которые захватывали бы воображение человека больше, чем поведение животных. Поведение же человека составляет главный предмет чуть ли не всей литературы, религии, политики и истории, а в нынешнем столетии его начали пристально изучать и этологи. Несмотря на все это, поведение человека продолжает оставаться одной из наименее понятных областей биологии. По мнению большинства этологов, чтобы хорошо разобраться в поведении человека и животных, необходимо прежде понять функции нервной системы.

Все поведенческие акты в конечном итоге определяются моторным выходом нервной системы, контролирующим сокращение мышц. Поведение (т. е. общая совокупность движений) животного непрерывно изменяется в ответ на воздействие внешних стимулов. Некоторые ответы представляют собой простые и предсказуемые рефлекторные реакции. Другие формы поведения очень сильно зависят от информации, накопленной в результате прошлого опыта, и поэтому предсказать их труднее. "Средства технического обеспечения" любой формы поведения представлены нейронными сетями, т.е. взаимосвязанными цепями нейронов. В отличие от цепей электрических некоторые нейронные сети "запаяны" не жестко и обнаруживают пластичность - способность подвергаться функциональным и в известной мере даже анатомическим изменениям под влиянием опыта.

Простейшей нервной сетью является рефлекторная дуга. Примитивная рефлекторная дуга, возможно, состояла из рецепторной клетки, непосредственно иннервировавшей эффекторную клетку (рис. 8-1, А). Усложнение нервных сетей в процессе эволюции сопровождалось созданием централизованных нервных систем, обеспечивающих компактность, экономность и большую сложность нервных взаимосвязей. Связь периферических рецепторов и эффекторов с центральной нервной системой (ЦНС) стали осуществлять длинные сенсорные и моторные аксоны. Так сформировались моносинаптические рефлекторные дуги (рис. 8-1,Б), в которых сенсорный нейрон образует в ЦНС синаптический контакт с мотонейроном, иннервирующим мышцу. В такой дуге всякий раз, когда внешний стимул вызывает в сенсорном нейроне достаточно интенсивную активность (импульсацию), происходит рефлекторное возбуждение эффекторного (исполнительного) органа. Фактически же более обычны полисинаптические нервные пути, в которых связь между сенсорным и моторным нейронами опосредуется интернейронами, или промежуточными нейронами (рис. 8-1,Б). В

разные входы и функционируют с учетом прошлого опыта, и, наконец, нервные сети, генерирующие моторный выход.

центрального прямоугольника, изучен пока еще весьма фрагментарно. Таким образом, говоря о наиболее сложных уровнях поведения, нервную систему и сегодня приходится рассматривать как "черный ящик", ответ которого можно в какой-то мере предсказать на основании прошлых и текущих сенсорных воздействий. Но это уже область психологии поведения. Чтобы хоть немного понять, как функционирует нервная система, мы рассмотрим некоторые из простейших нейрофизиологических коррелятов поведения животных. Для этого ознакомимся вначале с рядом общих принципов, а затем рассмотрим надболее изученный пример нервной интеграции - функционирование зрительной системы позвоночных.

260

259 :: 260 :: Содержание

260 :: 261 :: 262 :: 263 :: Содержание

8.1. Эволюция нервной системы

Поскольку мягкие нервные ткани быстро разрушаются, проследить эволюцию нервной системы непосредственно по ископаемым остаткам нельзя. Можно, однако, изучать усложнение нервной организации на примере ныне живущих представителей различных филогенетических групп животных и на основании полученных данных делать предположения, какими путями эволюция привела к более сложным типам нервной системы.

По-видимому, на клеточном уровне функционирования нервная система в процессе эволюции подверглась весьма незначительным изменениям по сравнению с другими тканями.

260

Рис. 8.З. Нервная сеть у нижней поверхности зонтика

медузы Aurelia, освещенной косым светом. Идущие во всех направлениях аксоны иннервируют мускулатуру, ответственную за сокращение зонтика. (Horridge, 1968.)

Электрофизиологические и химические свойства нервных клеток позвоночных и беспозвоночных животных удивительно сходны. Многие функциональные принципы, общие для всех типов нервных систем, впервые были выявлены на беспозвоночных и низших позвоночных, нервная система которых более удобна для экспериментального изучения, чем у высших позвоночных.

Самая простая в анатомическом отношении нервная система состоит из

очень тонких нервных волокон (аксонов), образующих диффузную сеть (рис. 8- 3) с синаптическими контактами в местах их соприкосновения. Такие диффузные нервные сети, особенно характерные для кишечнополостных, не обнаруживают явных предпочтений в отношении проведения нервных импульсов в том или ином направлении. Стимул, воздействующий на какуюлибо часть организма, вызывает реакцию, распространяющуюся от точки стимуляции на некоторое расстояние. Если действие стимула повторяется с короткими перерывами, передача возбуждения в системе "облегчается" и реакция распространяется на большее расстояние. Поскольку диаметр нервных волокон в диффузных нервных сетях очень мал и регистрировать их активность внутриклеточными электродами чрезвычайно трудно, синаптические механизмы в нервных системах этого типа изучены очень плохо. У кишечнополостных и гребневиков появляются первые признаки организации нейронов в рефлекторные дуги.

Одним из важнейших усовершенствований нервной системы на ранних этапах эволюции было объединение нейронов в ганглии. Ганглии, впервые появляющиеся у кишечнополостных, весьма обычны у всех животных более высокого филогенетического уровня. Ганглий (рис. 8-4, А, В) представляет собой скопление тел многочисленных нейронов около сплетения нервных волокон, называемого нейропилем. Такая организация позволяет нейронам образовать богатую сеть связей за счет меньшего числа коллатералей (боковых ответвлений аксонов). Коллатерали ветвятся и образуют контакты в нейропиле. Хотя нейропиль выглядит как беспорядочное сплетение тонких нервных отростков, недавно путем введения в нейроны красителей и иных меток (рис. 8-4, Б и Г) было показано, что тонкая структура этих разветвленных коллатералей в разных препаратах сильно различается. Кроме того, судя по данным физиологических исследований, взаимосвязи между нейронами в нейропиле достаточно упорядоченны, так что у разных особей одного вида между гомологичными нейронами в ганглии могут обнаруживаться идентичные синаптические взаимодействия.

У сегментированных беспозвоночных ганглием снабжен каждый членик тела. Как правило, сегментарный ганглий обеспечивает рефлекторные функции того членика, в котором он находится, а также одного или нескольких соседних члеников. Ганглии следующих друг за другом члеников соединены нервными стволами, которые называют коннективами. В результате такого чередования ганглиев и коннектив образуется характерная для кольчатых червей и членистоногих брюшная нервная цепочка (рис. 8-5), сегментарная организация которой видна особенно четко. Сравнительно небольшое число нейронов в каждом сегменте и однотипность структуры и функций разных сегментов нервной цепочки делают сегментарные ганглии этих животных удобным объектом нейрофизиологических исследований. Анализ взаимосвязей нейронов в одном сегменте дает представление об общей картине нейронных взаимодействий во всех остальных сегментах. Такой подход оказался особенно эффективным при изучении нервной системы пиявки, у которой ганглиев очень много.

Рис. 8.5. Брюшная нервная цепочка омара (Homarus) может служить примером сегментарной организации нервной системы многих беспозвоночных. Нервные корешки, отходящие от ганглиев, содержат сенсорные и моторные

Важным этапом в эволюции сложных форм поведения было слияние нескольких передних ганглиев в "суперганглий", или "головной мозг". Это образование сложнее сегментарных ганглиев и осуществляет более или менее выраженный контроль над ними. Большие размеры "мозга" по сравнению с ганглиями остальных отделов ЦНС обусловлены отчасти большим числом сенсорных волокон, приходящих от рецепторов передней части тела, а отчасти - развитием в "мозгу" различных регуляторных центров.

В отличие от червей и членистоногих, имеющих сегментарную структуру и двустороннюю симметрию, иглокожие, как правило, характеризуются наличием нервного кольца вокруг оси радиальной симметрии. Возможно, из-за радиальной симметрии у иглокожих нет ганглия, сходного с "мозгом". Моллюски обладают несегментированной нервной системой с несколькими отличающимися друг от друга ганглиями, которые соединены длинными нервными стволами. У заднежаберных моллюсков (например, Aplysia) и голожаберных моллюсков (например, Tritonia) имеются особые нейроны с необыкновенно большим клеточным телом; диаметр некоторых из них у Aplysia превышает 1 мм. Поскольку такие гигантские нейроны легко распознать индивидуально в разных препаратах и можно изучать с помощью таких экспериментальных приемов, как длительная регистрация электрической активности, внутриклеточное введение различных веществ, микрохимический анализ и т.п., они стали излюбленным объектом исследований в клеточной

нейрофизиологии. У моллюсков, так же как у кольчатых червей и членистоногих, в настоящее время стало возможным многократно (у разных особей) выбирать для исследования данную идентифицированную нервную клетку и под микроскопом вводить в нее электроды.

Из всех беспозвоночных самой сложной нервной системой обладает осьминог. В одном только головном мозгу осьминога, по оценкам специалистов, насчитывается около 108 нейронов. Нейроны организованы в высокоспециализированные доли и тракты, вероятно, образовавшиеся в процессе эволюции из более рассеянных ганглиев низших моллюсков. Таким образом, если число нейронов принять за показатель интеллекта, то осьминог должен быть существом весьма неглупым. И в самом деле, как показали поведенческие исследования, по стандартам для беспозвоночных осьминог необычайно умен.

В нервной системе остальных беспозвоночных нейронов гораздо меньше, чем у позвоночных. По этой причине нервную систему беспозвоночных часто называют "простой". Однако внешние признаки иногда обманчивы, и при более пристальном рассмотрении очевидной становится функциональная сложность даже сравнительно просто устроенных нервных систем.

263

260 :: 261 :: 262 :: 263 :: Содержание

263 :: 264 :: 265 :: Содержание

8.2. Нервная система позвоночных

Высшим эволюционным достижением у позвоночных является организация передних ганглиев в многофункциональной головной мозг, хотя рудиментарная сегментация нервной системы у этих животных сохраняется в виде черепномозговых и спинномозговых нервных корешков (рис. 8-6). Несмотря на свою устрашающую сложность, нервная система позвоночных обладает, с точки зрения экспериментатора-нейрофизиолога, рядом преимуществ. Одно из них, нашедшее отражение в сформулированном более 100 лет назад правиле БеллаМажанди,

263

Рис. 8.6.

Головной и спинной мозг лягушки (А) и человека (Б) с брюшной стороны. В расположении нервов, отходящих от ЦНС, проявляется рудиментарная сегментация. Симп. - симпатический. (Wiedersheim, 1907; Neat, Rand, 1936.)

заключается в том, что афферентные (сенсорные) нервные волокна (аксоны) входят в ЦНС через дорсальные корешки черепномозговых и спинномозговых нервов, а эфферентные (моторные) выходят через вентральные корешки1 (рис. 8- 7). Недавно, однако, выяснилось, что из этого правила есть исключения. Например, у кошки тонкие немиелини-зированные сенсорные афференты входят в спинной мозг и через некоторые из вентральных корешков. Моторные волокна начинаются от тел нервных клеток вентрального (переднего) рога

спинного мозга. Афферентные волокна отходят от униполярных клеток

спиналъных ганглиев (ганглиев дорсальных корешков). Разделение сенсорных и моторных аксонов между дорсальными и вентральными корешками позволяет избирательно стимулировать или, наоборот, выключать перерезкой сенсорный вход в ЦНС или моторный выход из нее.

Другое преимущество ЦНС позвоночных для нейрофизиолога - это обилие нейронов любого данного типа. У членистоногих один-единственный мотонейрон может иннервировать практически все мышечные волокна одной, а иногда и нескольких мышц конечности. У позвоночных каждая скелетная мышца, как правило, иннервирована большим пулом из нескольких сотен мотонейронов, каждый из которых осуществляет контроль над одной двигательной единицей, обычно содержащей около 100, а в некоторых мышцахдо 2000 мышечных волокон. Поскольку все мотонейроны пула по своим

264

Рис. 8.7. Организация спинного мозга позвоночных и его сегментарных нервных корешков (поперечный разрез). Цветом выделены нейроны, образующие полисинаптическую рефлекторную дугу между кожными рецепторами и двигательными окончаниями в мышце. Обратите внимание на то, что тело сенсорного (афферентного) нейрона расположено в спиналъном ганглии за пределами спинного мозга. (Montagna, 1959.)

физиологическим свойствам более или менее сходны, данные, полученные при изучении одного мотонейрона, типичны для всего пула в целом. Если бы нейроны каждого типа не были столь многочисленны и если бы все нейроны сильно различались по своим функциональным свойствам, попытки нейрофизиологов изучить функции нервной системы позвоночных скорее всего были бы безнадежными.

265

1 У человека вентральные и дорсальные корешки обычно называют соответственно передними и задними.-Прим. ред.

263 :: 264 :: 265 :: Содержание

Рис. 8.9. Головной мозг позвоночных. А. Рыба. Б. Лягушка. В. Птица. Т. Человек. Эволюция позвоночных сопровождалась постепенным увеличением относительных размеров большого мозга. Мозжечок, играющий важную роль в координации движений, сильно развит у птиц и млекопитающих. Римскими цифрами обозначены черепномозговые нервы. (Romer, 1955.)

за такие висцеральные функции, как контроль мочеиспускания и эрекция пениса или клитора. Спинномозговые рефлексы находятся под нисходящим контролем разных отделов головного мозга.

Расположенный над продолговатым мозгом мозжечок состоит из двух полушарий, которые у высших позвоночных покрыты извилинами. Мозжечок интегрирует информацию, поступающую от полукружных каналов и других проприоцепторов (сенсоров положения тела и движении), а также от зрительной и слуховой систем. Мозжечок сопоставляет все эти входные сообщения, и его выходные сигналы помогают координировать моторную импульсацию, ответственную за поддержание позы, ориентацию животного в пространстве и точные движения конечностей.

В гипоталамусе расположено несколько центров, регулирующих

висцеральные функции и эмоциональные реакции, связанные с приемом пищи и воды, половым поведением, удовольствием и яростью, а также температуру тела. Нейроны гипоталамуса, выделяющие гормоны, контролируют баланс воды и электролитов и секреторную активность гипофиза. Более подробно эндокринные функции гипоталамуса рассматриваются в гл. 9.

Наибольшему развитию в процессе эволюции позвоночных подверглись полушария большого мозга (рис. 8-9). У высших млекопитающих кора (поверхностный слой серого вещества, содержащий высокоорганизованные "колонки" из тел нейронов) образует хорошо выраженные складки, благодаря которым площадь коры намного увеличивается. Некоторые области коры являются исключительно сенсорными, другие - исключительно моторными (рис. 8-10). Локальная электростимуляция сомато-сенсорной коры во время некоторых хирургических операций вызывает у бодрствующих больных различные ощущения, причем больные способны сказать хирургу, в какую периферическую область тела эти ощущения проецируются. Это еще раз показывает, что все ощущения возникают в Ц НС - главным образом в сенсорных областях коры больших полушарий.

Слуховая кора височной доли и зрительная кора затылочной доли мозга - исключительно сенсорные структуры; прямая электрическая стимуляция этих областей во время операций вызывает элементарные слуховые и зрительные ощущения. В настоящее время делаются попытки разработать своего рода нейропротезы, в которых электронные сигналы от искусственных сенсоров могли бы стимулировать соответствующие области мозга и вызывать хотя бы грубые эквиваленты восприятия сенсорных сигналов. Хотя подобные протезы вряд ли окажутся способными точно копировать нормальные сенсорные механизмы, они смогли бы помочь слепым "видеть", а глухим "слышать" хотя бы в самой элементарной форме.

Впереди центральной борозды располагается моторная кора, в которой периферия также представлена топографически (рис. 8-10, справа). Крупные клетки Беца, тела которых находятся в моторной коре, посылают аксоны вниз, в спинной мозг, где образуют синаптические связи с мотонейронами,

266

Рис. 8.10. Сенсорный и двигательный "гомункулюсы" в коре головного мозга человека. А. На этом поперечном разрезе через соматосенсорную кору показаны центральные проекции периферических рецепторных зон-тех частей тела, где "ощущается" воздействие стимула при поступлении сенсорного сигнала в данный участок коры. Обратите внимание, что зона представительства наружных половых органов глубоко скрыта в продольной щели между полушариями большого мозга. Б. Поперечный разрез через моторную кору, где показано соответствие корковых участков скелетным мышцам. (Penjield, Rasmussen, 1950.)

иннервирующими скелетные мышцы. Эти клетки непрерывно поддерживают слабую фоновую импульсацию. Усиление активности клеток Беца приводит к синаптической активации мотонейронов и энергичным движениям соответствующей конечности. Это обычно происходит, когда человек намеренно производит сильное сокращение какой-либо мышцы, а также в эксперименте, когда клетки Беца у наркотизированного животного непосредственно стимулируются электродом.

У низших млекопитающих вся кора состоит в основном из сенсорных и моторных областей; она не образует выраженных складок, за счет которых, как у высших млекопитающих, могла бы увеличиться ее поверхность. У высших млекопитающих, и особенно у человека, значительные участки коры не "привязаны" всецело к сенсорным или моторным функциям. Эти области участвуют в образовании межсенсорных ассоциаций и в процессах памяти и (у человека) речи.

267

265 :: 266 :: 267 :: Содержание

267 :: 268 :: 269 :: 270 :: Содержание

8.2.2. Вегетативная нервная система

Висцеральные функции у позвоночных, регуляция которых осуществляется по большей части бессознательно, находятся главным образом под контролем вегетативной, или автономной, нервной системы (рис. 8-11), находящейся в основном за пределами ЦНС. Дуга вегетативного рефлекса изображена на рис. 8-12. Афферентная (сенсорная) часть дуги здесь существенно не отличается от афферентной части дуги соматического рефлекса (см. рис. 8-7); фактически данное сенсорное волокно может вызывать как соматический, так и вегетативный рефлексы. Дуги этих рефлексов различаются главным образом локализацией эффекторных нейронов. Эффекторные нейроны вегетативной системы, называемые здесь постганглионарными нейронами, располагаются всецело за пределами ЦНС. Соматические же мотонейроны, разумеется, лежат в сером веществе спинного мозга.

Преганглионарные нейроны симпатического отдела вегетативной системы располагаются в грудном и поясничном отделах спинного мозга (рис. 8-11, А) и

парасимпатического отдела находятся в черепном и крестцовом отделах ЦНС (рис. 8-11,Б). Парасимпатические нейроны обычно образуют синапсы с постганглионарными нейронами не в отдельных ганглиях, а в самих висцеральных органах или около них.

267

парасимпатические нервные волокна стимулируют, а адренэргические (выделяющие норадреналин) симпатические волокна угнетают кишечную моторику и секрецию пищеварительных соков. Симпатическая система быстро реагирует на стресс и опасности, усиливая энергоснабжение скелетной мускулатуры за счет внутренних органов, чтобы подготовить организм к борьбе или бегству; эту реакцию подкрепляет также секреция в кровь норадреналина мозговым веществом надпочечников. Краткий перечень симпатических и парасимпатических эффектов, позволяющих сравнить их, приведен в табл. 8-1.

Симпатический и парасимпатический отделы нервной системы у млекопитающих различаются радом особенностей синаптических связей (рис. 8-11, внизу) и биохимии синапсов. Тела преганглиоыарных нейронов обеих систем лежат в спинном мозгу и посылают свои миелинизированные аксоны к внутренним органам через вентральные корешки. В симпатической нервной системе иннервация постганглионарных нейронов преганглионарными

Рис. 8.12. Дуга вегетативного рефлекса. Сенсорные сигналы проходят без синоптического переключения через паравертебральный ганглий вегетативной нервной цепочки. Выходной моторный путь образует синапсы либо в превертебральном, либо в паравертебральном ганглии. (Montagna, 1959.)

Таблица 8-1. Некоторые постсинаптические эффекты вегетативной нервной системы1) (По Gordon, 1982)

269

терминалями осуществляется недалеко от спинного мозга в превертебральных и паравертебральных ганглиях (рис. 8-12). Медиатором в этих синапсах служит ацетилхолин. Постганглионарные волокна здесь гораздо длиннее преганглионарных, они проделывают почти весь путь к иннервируемому ими органу, где выделяют в качестве главного медиатора норадреналин. В отличие от этого в парасимпатической системе (блуждающий нерв и крестцовые нервы S2- 4) преганглионарные аксоны гораздо длиннее отростков постганглионарных нейронов, с которыми они образуют синапсы и которые находятся в самих тканях внутренних органов (рис. 8-11). Главным медиатором, освобождающимся как из преганглионарных, так и из постганглионарных парасимпатических нейронов, является ацетилхолин.

Биохимия синапсов вегетативной нервной системы представляет интерес отчасти потому, что подтверждает положение, согласно которому данный медиатор может связываться с постсинаптическими рецепторами разного типа. Как ацетилхолин, так и норадреналин связываются в ЦНС с рецепторами двух типов. В обоих случаях эти рецепторы можно распознать фармакологическим методом - с помощью веществ, действующих как агонисты (т.е. иммитирующих действие природного медиатора) или как блокаторы. Холинэргические (чувствительные к ацетилхолину) рецепторы первого типа называются никотиновыми, а второго - мускариновыми. Эти названия рецепторы получили в результате ранних исследований, в которых было обнаружено, что в одних физиологических реакциях, опосредуемых ацетилхолином, его агонистом может служить никотин, а в других - мускарин (см. дополнение 6-3). Кураре блокирует воздействие ацетилхолина на никотиновые рецепторы (в том числе и рецепторы концевой пластинки скелетной мышцы); мускариновые рецепторы блокируются

267 :: 268 :: 269 :: 270 :: Содержание

Рис. 8.14. А. Дивергенция означает ветвление отростков При конвергенции один нейрон иннервируется несколькими нейрона и иннервацию ими нескольких других нейронов. Б. другими.

по закону "всё или ничего" (потенциалы действия), и нераспространяющиеся градуальные сигналы (синаптические и рецепторные потенциалы)-были представлены на рис. 6-3. Как уже говорилось в гл. 5, 6 и 7, все биоэлектрические сигналы этих двух основных типов возникают в результате протекания ионных токов под действием электрохимических градиентов и регулируются открытием и закрытием ионных каналов.

Нервные сети можно подразделить на несколько основных типов (см. рис. 8-2). Сети сенсорной фильтрации, которые мы рассмотрим в следующем разделе, организованы таким образом, что "пропускают" лишь определенные элементы сложного сенсорного входа и "не пропускают" другие. Паттернгенерирующие сети (ПГС) ответственны за формирование моторного выхода, регулирующего стереотипные движения. Сигналы на выходе одних ПГС имеют циклический характер (например, сигналы ПГС, контролирующих локомоцию и дыхание). Сигналы на выходе других ПГС нециклические (например, сигналы, контролирующие выбрасывание языка у лягушки или жабы при ловле насекомых). С некоторыми центрально запрограммированными ПГС связаны упоминавшиеся выше рефлекторные дуги, непрерывные изменения сенсорного входа которых модулируют двигательный выход. В раде форм поведения участвуют сети сенсорной фильтрации на входе и запрограммированные генераторы паттернов на выходе (см. рис. 8-2). Примером может служить пищевой рефлекс лягушки, который будет рассмотрен в следующем разделе. Простейшие рефлексы (такие, например, как коленный, см. ниже) не требуют участия ни сенсорных, ни моторных нервных сетей.

Число комбинаций, в которых нейроны могут объединяться в нервные сети, громадно. Отдельный нейрон может иметь тысячи синаптйческих входов, возбуждающих и тормозных, от других нейронов. Кроме того, аксон самого этого нейрона может многократно ветвиться и таким образом иннервировать множество других нейронов. Дивергенция - ветвление аксона - позволяет нейрону оказывать влияние на множество постсинаптических нейронов (рис. 8- 14,А) . Конвергенция входов, воздействующих на одиночный нейрон (рис. 8-

14,Б), дает ему возможность интегрировать сигналы от многочисленных пресинаптических нейронов. Большинство нервных клеток (например, обсуждавшиеся выше мотонейроны млекопитающих) деполяризуется до уровня импульсного разряда только в результате значительной пространственной и временной суммации возбуждающих входных сигналов и поэтому генерирует импульсы лишь под влиянием более или менее одновременной активности многих пресинаптических нейронов.

Как правило, нейроны получают в одно и то же время и возбуждающие, и тормозные синаптические сигналы. Возбуждение нейрона будет подавлено, если вместе с возбуждающими входами на него будет воздействовать и достаточное число тормозных входов. Тормозные входы можно рассматривать как своего рода регулятор усиления, от которого зависит способность возбуждающих входов нейрона довести его до порога импульсации (рис. 8-15, А). Таким образом, чем сильнее тормозящее воздействие на нейрон, тем больше нужно возбуждающих сигналов, чтобы деполяризовать интегрирующий нейрон до уровня импульсного разряда. Интересно, однако, что при надлежащей

272

Рис. 8.15. Два возможных эффекта активации тормозного интернейрона. А. Если в нейронной цепи имеется только один тормозный интернейрон, то в результате его активации вероятность возбуждения в

ееконечном пункте снижается (пунктирная стрелка). Б. Если в нейронной цепи имеются два тормозных интернейрона и второй из них тонически активирован или активен спонтанно, тогда возбуждение

первого интернейрона повышает вероятность возбуждения в конечном пункте (растормаживание, жирная стрелка).

организации нервных цепей активность тормозного нейрона может в конечном итоге приводить к увеличению частоты разрядов другого нейрона (рис. 8-15, Б). Для этого требуется лишь то, чтобы один тормозный нейрон подавлял активность другого тормозного нейрона, ослабляя тем самым его тормозящее влияние на третий нейрон. Этот эффект получил название растормаживатя.

Рис. 8.17. Торможение алъфа-мотонейронов клетками Реншоу. А. На этой упрощенной схеме изображен мотонейрон, аксонные коллатерали которого иннервируют группу клеток Реншоу (изображена только одна такая клетка). Клетки Реншоу образуют тормозные синапсы на мотонейронах. Б. Разряд клетки Реншоу в ответ на антидромное возбуждение мотонейрона б. В. Тормозные постсинаптические потенциалы мотонейрона в ответ на разряд клетки Реншоу. Эти тормозные потенциалы блокируются стрихнином. (Eccles, 1969.)

274

270 :: 271 :: 272 :: 273 :: 274 :: Содержание

274 :: 275 :: 276 :: 277 :: Содержание

8.4. Сети сенсорной фильтрации

Сети сенсорной фильтрации выполняют функцию "отсеивания" определенных элементов сенсорного входа-функцию, которую не следует смешивать с "фильтрацией" форм энергии рецепторными клетками и вспомогательными структурами (см. начало главы 7). В этом отношении лучше всего изучена зрительная система. Ее мы и рассмотрим здесь по дробно - не только потому, что сама она представляет огромный интерес, но и потому, что это позволит нам сформулировать ряд важных общих принципов нейронной организации.

Работа зрительной системы прекрасно иллюстрирует концепцию сенсорной фильтрации. В отличие от телевизионной системы, которая последовательно, от точки к точке, передает информацию об интенсивности света с фотокатода телевизионной камеры на фосфоресцирующий экран телевизора, зрительная система отбирает из всего входного материала лишь определенные элементы, "игнорируя" остальное. Отдельная клетка в зрительных областях мозга не реагирует просто на освещенность соответствующей рецепторной клетки в сетчатке, а отвечает специфическим образом на определенные характеристики зрительного входа, опосредованного некоторой совокупностью рецепторных клеток. Каждый нейрон выделяет лишь какие-то элементы формирующегося на сетчатке изображения, например прямые края или полосы, их ориентацию или направление движения, о чем речь пойдет позже.

Классический пример сенсорной фильтрации представлен на рис. 8-18. Как видно из записей электрической активности зрительного нерва лягушки, некоторые его волокна реагируют только на специфические элементы зрительного поля, причем одни в этом отношении проявляют большую избирательность, нежели другие. Зрительные волокна одного типа разряжаются только при появлении небольших темных объектов (например, мух), движущихся на светлом фоне неподвижных предметов. Они не реагируют, когда движутся все находящиеся в поле зрения предметы или когда включается или выключается свет. Поскольку лягушки ловят летающих насекомых, зрительные волокна этого типа, вероятно, сообщают мозгу, что "ужин поднялся в воздух",- передают информацию, которая для лягушки, безусловно, гораздо важнее, чем прочие детали видимого окружения. Всякий, кто пытался держать лягушек в неволе, вскоре начинал понимать, что эти животные не признают мертвых насекомых пищей. Для лягушки, очевидно, неподвижная муха совсем не похожа на летящую. И важнее всего здесь, наверное, то, что изображение неподвижной мухи лишено той особенности (движение небольшого объекта относительно фона), которая активирует нервную цепочку, запускающую пищевую реакцию.

8.4.1. Латеральное торможение

Одна из форм фильтрации в зрительной системе служит для усиления контраста. Поскольку

274

Рис. 8.18. Сенсорная фильтрация в сетчатке лягушки.

Лягушка реагирует на небольшой объект, движущийся в поле зрения, но не реагирует на движение фона относительно небольшого неподвижного объекта и на другие неспецифические зрительные стимулы. Поведенческая реакция лягушки состоит в выбрасывании из ротовой полости липкого языка. Одни волокна (на рисунке - волокна типа 1) зрительного нерва активируются только тогда, когда на светлом фоне движется небольшой темный, резко очерченный объект. Другие волокна (на рисунке-типа 2) активируются самыми разнообразными движениями в поле зрения. (Bullock, Horridge, 1965.)

изменения силы или качества стимула во времени или пространстве, как правило, имеют для животного большое значение, в процессе эволюции сформировались нервные механизмы для "подчеркивания" таких изменений. Об усилении зрительного контраста можно получить представление, бегло взглянув на рис. 8-19. Кажется, что каждая вертикальная полоса несколько светлее у ее границы с соседней более темной полосой. И наоборот, там, где она граничит с более светлой полосой, она кажется темнее. Это оптическая иллюзия; на самом деле светлота полосы по всей ее ширине одинакова (при хорошем качестве печати). Чтобы в этом убедиться, достаточно закрыть бумагой все полосы, кроме одной.

Как возникает эта иллюзия? Ее первое физиологическое объяснение появилось в результате изучения сложного глаза мечехвоста (см. разд. 7.10.1). Хотя организация такого глаза гораздо проще, чем организация сетчатки позвоночных, между отдельными омматидиями у мечехвоста также существуют взаимодействия. Впервые это было обнаружено в середине 1950-х годов в лаборатории Х.К. Хартлайна в Рокфеллеровском университете. Сначала в темной комнате регистрировали электрическую активность отдельного омматидия при стимуляции его ярким лучом света, направленным только на этот омматидий. Когда включали также общий свет в комнате, дополнительная стимуляция им омматидия не только не повышала частоту разрядов в омматидий, но, наоборот, приводила к ее снижению. Впоследствии было установлено, что причиной торможения (снижения частоты импульсащщ) данного омматидия было возбуждение окружаюпщх его омматидиев

рассеянным комнатным светом.

Рис, 8.19. Усиление зрительного контраста. Светлота каждой из полос по всей ее ширине одинакова, однако каждая полоса кажется светлее у границы с более темной полосой и темнее-у границы с более светлой полосой. В том, что это лишь иллюзия, можно убедиться, закрыв с обеих сторон соседние полосы.

275

Рис. 8.20. Латеральное торможение в глазу мечехвоста: реакция омматидия на непрерывное освещение становится слабее при стимуляции соседних омматидиев. (Hartline et al., 1956.)

Этот феномен, получивший название латерального торможения, позднее наблюдался и в зрительной системе других животных, а также в ряде сенсорных систем иного типа.

Выявление взаимодействий между рецепторами в боковом глазу мечехвоста иллюстрируется также на рис. 8-20: освещение группы омматидиев подавляет непрерывную импульсацию омматидия а. Разумеется, тормозные влияния между взаимодействующими омматидиями носят двусторонний характер. Их важная особенность-то, что они ослабевают с увеличением расстояния между омматидиями. Самое сильное торможение отмечается между соседними омматидиями. Латеральное торможение в глазу мечехвоста осуществляется при участии бокового нервного сплетения, состоящего из коллатеральных ветвей аксонов эксцентрических клеток, которые образуют друг на друге тормозные синапсы. Импульсная активность в коллатералях эксцентрических клеток вызывает освобождение тормозного медиатора из синаптических окончаний на аксонах соседних эксцентрических клеток. Воздействие медиатора на

постсинаптический аксон снижает вероятность возникновения в нем разрядов. Так как тормозящее влияние данного омматидия на соседей возрастает с увеличением его активности (частоты разрядов), сильно стимулируемый омматидий будет сильнее тормозить соседние, слабее стимулируемые, омматидий и испытывать с их стороны меньшее тормозное влияние. В результате произойдет

Рис. 8.21. Усиление контраста на границе светлого и темного. Прямоугольник яркого света продвигается по сложному глазу при умеренной общей освещенности (А), и в это время регистрируется частота импульсов от отдельного омматидия (Б). Если все остальные омматидий от света закрыты, ответ изучаемого омматидия изменяется скачкообразно (черная ломаная линия на рис. Б). Если же свету доступен весь глаз и световое пятно продвигается по всем омматидиям, то изменение ответа будет приблизительно соответствовать цветной кривой. (W.H. Miller, F. Ratliff, H.K. Hartline, How Cells Receive Stimuli, 1961.)

276

усиление контраста (увеличение различия в ответах) между соседними омматидиями, освещенными в неравной степени (рис. 8-21,A). Поскольку латеральное торможение с расстоянием ослабевает, наибольшее усиление контраста дают омматидии, лежащие у самой границы освещенности по обеим ее сторонам. Таким образом, латеральное торможение обостряет восприятие разного рода краев за счет увеличения контраста на границе участков неодинаковой светлоты. Такой же эффект возникает в глазу человека, когда он видит вертикальные полосы на рис. 8-19.

Как видно из рис. 8-21, Б, латеральное торможение может вызывать сходные эффекты и в одном омматидии при изменении светлоты во времени. В этом можно убедиться, медленно продвигая по слабо освещенному сложному глазу прямоугольник света. Частота импульсов, регистрируемых в одном рецепторе, падает по мере приближения к нему светлого участка. Это снижение частоты обусловлено усилением торможения рецептора со стороны примерно половины окружающих его сильно освещенных омматидиев. Затем, когда свет попадает на исследуемый рецептор, частота его разрядов резко увеличивается. В этот момент он не только подвергается сильной прямой стимуляции, но к тому же испытывает лишь слабое тормозящее влияние со стороны приблизительно половины ближайших к нему омматидиев, еще не стимулированных ярким светом. По мере дальнейшего продвижения светлого края и освещения соседних омматидиев тормозные влияния со стороны последних усиливаются, и

омматидии начинает разряжаться с новой, несколько более низкой частотой.

277

274 :: 275 :: 276 :: 277 :: Содержание

упрощенной, так как в образовании связей здесь участвуют еще два типа нейронов - горизонтальные и амакриновые клетки, которые играют особо важную роль в латеральных взаимодействиях. Горизонтальные клетки имеют входы от соседних и других не очень удаленных рецепторов и иннервируют биполяры, а амакриновые клетки соединяют между собой биполяры и ганглиозные клетки. Проведенные недавно исследования с внутриклеточной регистрацией в сочетании с микроинъекциями флуоресцентных красителей позволили идентифицировать электрическую активность каждого типа клеток сетчатки (рис. 8-24).

Как уже говорилось в гл. 7, в зрительных рецепторных клетках позвоночных при освещении

277

Рис. 8.23. Клеточная организация сетчатки позвоночных. Биполярные клетки передают сигналы от зрительных рецепторных клеток ганглиозным клеткам, аксоны которых образуют зрительный нерв.

Горизонтальные и аммакриновые клетки передают сигналы в боковом направлении. (R. W. Young, Visual Cells, 1970.)

возникают гиперполяризационные (т.е. отрицательные) сдвиги потенциала, а спайки (потенциалы действия), как правило, не генерируются. В темноте эти клетки непрерывно выделяют синаптический медиатор, а когда в ответ на освещение рецептор гиперполяризуется, секреция медиатора ослабевает. В горизонтальных клетках тоже происходят лишь градуальные, не сопровождающиеся спайками, изменения потенциала гиперполяризационной природы (рис. 8-24). Не генерируют спайков и биполярные клетки, у которых, однако, потенциал может смещаться в обоих направлениях. Сдвиги

наибольшей остроты зрения, где преобладают прямые связи с одной колбочки к одной биполярной клетке и от одного биполяра к одной ганглиозной клетке. За пределами центральной ямки ганглиозные клетки получают входные сигналы от многих рецепторов (в основном палочек), что обусловливает большую чувствительность к слабому свету, но меньшую остроту зрения.

Входные сигналы от сетчатки передаются по зрительному нерву, т.е. аксонам ганглиозных клеток. В темноте все ганглиозные клетки спонтанно активны; при этом каждая из них реагирует на световое пятно, попадающее в любую точку внутри более или менее округлой области сетчатки. В зависимости от того, какие рецепторные клетки освещаются небольшим пятньппком света, ганглиозная клетка может давать либо on-ответ (повышение частоты разрядов при включении светового стимула), либо off-ответ (повышение частоты разрядов при выключении стимула) (рис. 8-25). Область сетчатки, освещение которой в разных точках вызывает ответ (увеличение или уменьшение частоты импульсов) нервной клетки, называется ее рецептивным полем. Рецептивное поле любого нейрона - это та часть сенсорного поля (в данном случае сетчатки), в пределах которой стимул может влиять на активность этого нейрона.

Центр рецептивного поля ганглиозной клетки приблизительно совпадает с самой этой клеткой, а его размеры варьируют от нескольких рецепторов в середине центральной ямки до нескольких тысяч рецепторов на периферии сетчатки (где диаметр рецептивного поля ганглиозной клетки может достигать 2 мм).

Можно выделить два основных типа ганглиозных клеток. Клетки первого типа имеют рецептивные поля с on-центром и дают on-ответ на освещение центральной части рецептивного поля (рис. 8-25, А). Освещение кольцевой зоны вокруг центрального участка рецептивного поля такой клетки вызывает у нее off-ответ. Более слабый off-ответ отмечается в том случае, когда световое пятно падает лишь на часть кольцевой зоны. Такое кольцо получило название тормозной периферии рецептивного поля. Клетки второго типа имеют рецептивные поля с off-центром (рис. 8-25, Б) и реагируют противоположным образом - перестают разряжаться или снижают частоту импульсов при освещении центральной зоны рецептивного поля и увеличивают частоту импульсов при освещении периферии.

Подразделение рецептивного поля на центр и периферию - это особый случай латерального торможения, во многом сходный с рассмотренным

Рис. 8.25. Электрическое поведение ганглиозных клеток с on-центром и с off-центром в сетчатке млекопитающих. А. Клетка с on-центром реагирует на свет, попадающий в центр ее рецептивного поля (верхняя запись-). Если световое пятно попадет в периферическую зону рецептивного поля, электрический разряд клетки будет подавлен (нижняя запись). Б. Если световое пятно попадает в центр рецептивного поля клетки с off-центром, ее активность подавляется (верхняя запись); если же оно окажется в периферической зонег клетка будет возбуждена (нижняя запись). (D. Н. Hubel, The Visual Cortex of the Brain, 1963.)

выше тормозным процессом в сложном глазу мечехвоста. Латеральные взаимодействия в сетчатке в значительной части опосредуются горизонтальными клетками. Боковые отростки этих клеток, лежащих в наружном плексиформном слое сетчатки, образуют электротонические связи с соседними горизонтальными клетками. Помимо этого горизонтальные клетки образуют химические синапсы на биполярах и получают входные сигналы от многочисленных рецепторов. Свет, падающий на периферию рецептивного поля ганглиозной клетки, воздействует на эту клетку через горизонтальные клетки. Поскольку горизонтальные клетки образуют обширную сеть и взаимодействуют между собой через щелевые контакты с низким сопротивлением, сигнал, поступающий от какого-либо рецептора на вход одной горизонтальной клетки, вызывает гиперполяризационный потенциал, распространяюпщйся электротонически во всех направлениях от этого рецептора (рис. 8-26). Каждый биполяр получает входные сигналы от окружающих его рецепторов через латеральную сеть горизонтальных клеток, причем интенсивноть этого сигнала падает с расстоянием вследствие кабельных потерь при электротоническом распространении градуальных гиперполяризационных потенциалов (см. разд. 6.2), Непрямой вход, который биполярная клетка получает от

279

Рис. 8.26. Организация сетчатки, определяющая создание рецептивных полей с on- и с off-центрами. А. Стимуляция пятном света. Б. Стимуляция световым кольцом. Два типа биполярных клеток, Бon и Бoff,

реагируют на сигналы от рецепторов (Р), поступающие прямо от них или через горизонтальные клетки (Гор); оn - биполяры при активации расположенных над ними рецепторных клеток деполяризуются, а под действием латерального входа от горизонтальных клеток слабо гиперполяризуются. Off-биполяры обнаруживают противоположное поведение. Для упрощения схемы амакриновые клетки на рисунке не показаны. Цветом выделены прямые пути к ганглиозным клеткам (ГГ). Непрямые (латеральные) пути к ганглиозным клеткам через горизонтальные клетки представлены серым цветом. Знаками "плюс" и "минус" указаны синапсы, в которых полярность сигнала сохраняется (+) или изменяется на противоположную (-).

расположенных вокруг рецепторов через сеть горизонтальных клеток, антагонистичен прямому входу, который она получает от лежащих непосредственно над ней зрительных рецепторов по прямым связям. Описанные взаимодействия служат основой организации рецептивного поля, состоящего из центра и периферии. Локальный, прямой путь от рецептора через биполяр определяет ответы ганглиозной клетки на стимуляцию центральной зоны ее рецептивного поля, а непрямые пути от рецепторов через горизонтальные клетки и биполяры опосредуют ее ответы на освещение периферии рецептивного поля. Существование двух типов рецептивных полей - с on- и offцентром - определяется наличием в сетчатке двух типов биполярных клеток - on-биполяров и off-биполяров, дающих противоположные ответы на синаптические сигналы как от рецепторов, так и от горизонтальных клеток (рис. 8-26). При освещении (и, следовательно, гиперполяризации) лежащих сверху рецепторов off-биполяры гиперполяризуются, а on-биполяры деполяризуются. Освещение периферии рецептивного поля биполяров обоих типов вызывает ответ, опосредованный горизонтальными клетками и противоположный по электрическому знаку ответу при освещении центра рецептивного поля. Как только что говорилось, каждая биполярная клетка вызывает в связанной с нею ганглиозной клетке (или клетках) изменение синаптического потенциала того же знака, что и изменение потенциала самого биполяра. Таким образом, у

ганглиозных клеток, иннервированных on-биполярами, будут рецептивные поля с ,оп-центром, а у ганглиозных клеток, иннервированных off-биполярами, -с offцентром. Ганглиозная клетка с on-центром возбуждается через прямой вход от рецептора к иннервирующим ее биполярам и тормозится через горизонтальные клетки при освещении периферии рецептивного поля. Для ганглиозных клеток, иннервированных off-биполярами, эти отношения будут обратными.

Два противоположных типа ответов, опосредуемых on- и off-биполярными клетками, определяются

280

различиями постсинаптических реакций биполяров на медиатор, выделяемый рецепторами, и характером медиатора, освобождаемого горизонтальными клетками. Длительная гиперполяризация on-биполяров в темноте поддерживается действием медиатора, непрерывно выделяемого в темноте частично деполяризованными рецепторами. Когда световой стимул вызывает гиперполяризацию рецептора, секреция его медиатора снижается и on-биполяр получает возможность деполяризоваться до низкого (близкого к нулю) уровня своего потенциала покоя. Деполяризованный on-биполяр выделяет возбуждающий нейромедиатор, и соответствующие ганглиозные клетки деполяризуются, что приводит к возрастанию частоты их разрядов (on-ответ). Наоборот, off-биполяры, обладающие постсинаптическими каналами с иной ионной селективностью, в темноте под влиянием непрерывно выделяемого рецепторами медиатора деполяризованы. Освещение рецептора и сопутствующее снижение секреции им медиатора вызывает гиперполяризацию off-биполяра до сравнительно высокого (т.е. сильно отрицательного) уровня потенциала покоя. Эта гиперполя-ризация ведет к уменьшению освобождения медиатора off-биполяром и, следовательно, к гиперполя-ризации соответствующих ганглиозных клеток (off-ответ).

Таким образом, организация рецептивных полей ганглиозных клеток в сетчатке позвоночных определяется тремя главными обстоятельствами:

1)ганглиозные клетки двух типов, обладающие рецептивными полями с onцентром и с off-центром, имеют входы от соответствующих двух типов биполярных клеток;

2)на биполярные клетки обоих типов через сеть электротонически связанных друг с другом горизонтальных клеток оказывают действие рецепторы

с"антагонистической" периферии рецептивного поля;

3)прямой вход к биполярным клеткам от лежащих над ними рецепторов находится в антагонистических отношениях с непрямым входом через сеть горизонтальных клеток, благодаря чему в ганглиозных клетках как с onцентром, так и с off-центром возникают противоположные "центральные" и "периферические" эффекты.

Изучение сетчатки позволяет сделать ряд общих выводов, которые, повидимому, важны и для понимания нейронной организации других отделов ЦНС Во-первых, следует отметить, что при малом расстоянии между нервными клетками они могут посылать друг другу электротонические сигналы, не генерируя потенциалов действия. Такие "безымпульсные" нейроны могут передавать более точную информацию, чем нейроны, работающие по принципу "все или ничего". Кроме того, электротонические сигналы ослабевают с увеличением расстояния, что полезно, например, при латеральном торможении.

Во-вторых, возбуждение не обязательно означает деполяризацию: в

некоторых нервных клетках, например в зрительных рецепторах и горизонтальных клетках, обычной реакцией, модулирующей синаптическую передачу (а именно снижающей непрерывное освобождение медиатора), служит гиперполяризация. В-третьих, постсинаптический ответ нейрона нельзя предсказать по знаку изменения пресинаптического потенциала. Так, в ответ на гиперполяризацию пресинаптической клетки нейрон может деполяризоваться, и наоборот. Вспомним, что реакция постсинаптической клетки зависит от ионных токов, возникающих в ней при изменении секреции медиатора пресинаптическим нейроном.

281

277 :: 278 :: 279 :: 280 :: 281 :: Содержание

281 :: 282 :: 283 :: 284 :: Содержание

8.4.3. Переработка информации в зрительной коре

У птиц и млекопитающих аксоны ганглиозных клеток в области зрительного перекреста разделяются, направляясь частью в ипсилатеральное (расположенное на той же стороне тела), частью - в контралатеральное (противоположное) полушарие мозга (рис. 8-22,A); у более примитивных позвоночных они перекрещиваются полностью (рис. 8-22, Б). В коленчатом теле таламуса зрительные волокна образуют синаптические контакты с нервными клетками 4- го порядка, аксоны которых идут к нейронам 5-го порядка ("простым" клеткам) поля 17 зрительной коры в затылочной доле мозговых полушарий (см. рис. 8-9). Рецептивные поля клеток 4-го порядка в коленчатом теле сходны с рецептивными полями ганглиозных клеток, только контраст между ярко и слабо освещенными участками сетчатки проявляется здесь резче.

Среди наиболее плодотворных исследований по переработке сенсорной информации следует отметить работы по изучению зрительных областей мозга Дэвида Хьюбела и Торстена Визела, проведенные в 1960-х годах и посвященные зрительным областям мозга. У кошки с помощью электродов регистрировали активность отдельных нейронов мозга, в то время как на экран, занимавший все поле зрения обездвиженного животного, проецировались такие простые зрительные стимулы, как точки, кружки, полосы или края. Ответы нейронов сопоставлялись с положением стимулов на экране, их формой и движением (рис. 8-27,A). Было выделено два важных функциональных типа корковых нейронов поля 17. Они получили названия простых клеток и сложных клеток.

Подобно многим другим корковым нейронам, простые клетки расположены в ткани коры упорядочение в виде вертикальных "колонок". Предполагают, что эти клетки - первое входное звено зрительной коры; их рецептивные поля сильно отличаются от рецептивных полей ганглиозных клеток

281

Рис. 5.27. Постановка эксперимента для изучения

нейронных реакций в зрительной коре наркотизированной кошки. А. Электрод в коре регистрирует ответы нейронов на световой стимул, появляющийся на экране. (G.S. Stent, Cellular Communication, 1972J Б. Рецептивное поле простой клетки коры имеет форму полосы. Пятно света, попадающее в любую часть оп-зоны этого рецептивного поля, вызывает слабое возбуждение такой клетки. При воздействии светового пятна где-то вне оп-зоны поля происходит торможение ее импулъсации. В. При повороте полосы света относительно рецептивного поля простой клетки ответ будет максимальным тогда, когда световая полоса совпадает с оп-зоной ее рецептивного поля; при иной ориентации световой полосы клетка возбуждается лишь частично. (D. И. Hubel, Visual Cortex of. the Brain, 1963.)

сетчатки и нейронов коленчатого тела. Хотя рецептивные поля простых клеток можно подразделить на несколько типов, все они имеют одну общую особенность: граница, разделяющая зоны с on- и off-эффектами, всегда имеет у них вид прямой линии, а не окружности, как у полей ганглиозных клеток или нейронов коленчатого тела. On-зона рецептивного поля некоторых простых клеток имеет вид полосы, по обеим сторонам которой расположены off-зоны (рис. 8-27, Б). У других клеток off-зона граничит с обеих сторон с on-зонами. Рецептивные поля клеток третьего типа разделены прямой границей пополам на on- и off-зоны. У простых клеток, как и у ганглиозных клеток сетчатки и нейронов коленчатого тела, рецептивные поля занимают в сетчатке

фиксированное положение.

Ориентация и расположение границы между on- и off-зонами у разных простых клеток неодинаковы, так что полоса света, горизонтально или вертикально передвигающаяся по сетчатке, поочередно активирует одну простую клетку за другой, последовательно проходя через их рецептивные поля. На рис. 8-27, В показано, что происходит при повороте полоски света вокруг центра on-зоны рецептивного поля простой клетки. Располагаясь под прямым углом к границе между on- и off-зонами, полоска или не влияет на спонтанную электрическую активность простой клетки, или тормозит ее; когда полоска накладывается на on-зону, клетка дает максимальный разряд (понятно, что с помощью этого эффекта можно определить границы рецептивного поля). Если затем световую полоску полностью вывести из on-зоны рецептивного поля в offзону, активность клетки будет заторможена.

Как достигается специфическая чувствительность простых клеток к проецируемым на сетчатку прямым полосам или прямым краям, ориентированным и расположенным в поле зрения определенным образом? По мнению Хьюбела и Визела, каждая простая клетка с полосовидным рецептивным полем имеет возбуждающие связи от клеток коленчатого тела, в рецептивных полях которых оп-цент-ральные зоны лежат в сетчатке на одной прямой линии (рис. 8-28, А). Простые клетки с рецептивными полями, разделенными пополам на on- и off-зоны, имеют входные связи, показанные на рис. 8-28, Б. Таким образом, простая клетка сильнее всего реагирует, когда освещены все рецепторы, входящие в рецептивные поля с on-центрами ганглиозных клеток и клеток коленчатого тела, иннервирующих данную простую клетку. Всякое дополнительное освещение тормозных периферических зон в полях ганглиозных клеток тормозит реакцию корковой клетки.

Более высокую организацию имеют рецептивные поля сложных клеток. Как полагают, эти клетки, иннервированные простыми клетками,

282

занимают в иерархии зрительных элементов 6-й уровень. Сложные клетки сильнее всего реагируют на прямой край определенной ориентации. В отличие от простых клеток, однако, сложные клетки не имеют фиксированных рецептивных полей. Они одинаково отвечают на адекватные стимулы в пределах сравнительно больших зон сетчатки, тогда как общее освещение всей рецептивной зоны не вызывает никакого эффекта. Одни сложные клетки реагируют на световые полоски определенной ориентации (рис. 8-29, А) другие дают on-ответ на прямой край со светлым участком по одну сторону и off-ответ, если светлый участок лежит по другую сторону. Некоторые сложные клетки реагируют на край, движущийся только в определенном направлении (рис. 8-29, Б); движение в других направлениях не вызывает или почти не вызывает ответа. Этот эффект получил следующее объяснение. Сложная клетка, по-видимому, получает вход от простых клеток одной и той же корковой колонки. Все простые клетки данной колонки имеют одинаково ориентированные, но

несколько смещенные относительно друг друга рецептивные поля. По мере того как граница света и темноты продвигается по этим рецептивным полям, простые клетки возбуждают сложную клетку в той последовательности, в какой граница раздела освещенности пересекает границы on- и off-зон их рецептивных полей. Дирекциональная чувствительность сложных клеток обусловлена тем, что тормозный эффект освещения off-зоны каждой простой клетки предшествует освещению соседней on-зоны (рис. 8-29, Б). Нужно вспомнить, что освещение всего рецептивного поля стимулирует корковую сложную клетку очень слабо. Если край движется таким образом, что on-зона рецептивного поля каждой простой клетки освещается до соседней off-зоны, сложная клетка будет получать возбуждающие сигналы в той последовательности, в какой будут возбуждаться одна за другой простые клетки.

Таким образом, изучение зрительной коры позволяет сделать ряд выводов об организации ее сенсорных сетей, и эти выводы, видимо, имеют и более общее значение. Во-первых, зрительная система, вероятно, организована в основном по принципу конвергенции. Каждая ее клетка имеет входы от многочисленных клеток с менее сложными рецептивными полями. В результате складывается иерархия, в которой сложная клетка получает сигналы от большого числа простых клеток и извлекает из них необходимую информацию в соответствии с существующими связями и синаптическими механизмами. В свою очередь другие клетки более высокого уровня могут получать сигналы от большого числа таких сложных клеток и таким образом извлекать еще более интегрированную информацию. Во-вторых, хотя главной особенностью зрительной

Рис. 8.28. Возможный механизм образования рецептивных полей корковых простых клеток. А. Предполагается, что фиксированное полосовидное рецептивное поле простой клетки образуется в результате конвергенции выходов от ганглиозных клеток и клеток латерального коленчатого тела, у которых оп-центры рецептивных полей лежат на прямой линии. Б. Аналогичным образом рецептивное поле с on/qff-краем может образовываться в результате конвергенции на простой клетке нейронов латерального коленчатого тела с off- и оп-центрами.

283

Рис. 8.29. Возникновение ответов сложной клетки. А. Некоторые сложные клетки реагируют на полосы света, попадающие в любую часть их большого рецептивного поля, но имеющие определенную угловую ориентацию. Такая реакция может быть результатом конвергенции многочисленных простых клеток со сходно ориентированными полосовидными рецептивными полями. В данном примере вертикальная полоса света вызывает импульсацию одной простой клетки, падая на расположенные в ряд рецептивные поля ганглиозных клеток, образующих полосовидное рецептивное поле этой простой клетки. Горизонтальная полоса света вызовет лишь подпороговую стимуляцию простой клетки, несущественную для сложной клетки. Б. Некоторые сложные клетки реагируют на световые края, движущиеся только в определенном направлении. Такая реакция может быть результатом конвергенции группы простых клеток, чувствительных к сходно ориентированным границам свет/темнота. Возбуждение сложной клетки происходит в том случае, если край движется таким образом, что оп-половины'рецептивных полей простых клеток освещаются раньше, чем off-половины. Движение края в противоположном направлении вызовет торможение сложной клетки.

системы является конвергенция, значительную роль в ней играет и дивергенция,

поскольку каждая рецепторная клетка образует связи с многочисленными ганглиозными клетками, а в конечном итоге и с тысячами корковых клеток. В- третьих, зрительная кора не получает от сетчатки простые входы "из точки в точку" - вместо этого в активности каждого коркового нейрона поля 17 отображена какая-то сравнительно простая особенность зрительного поля,

определяемая многими его точками. Из сделанных выводов следует, что в процессе развития нейроны мозга образуют высокоспецифическую анатомическую организацию, обеспечивающую точное распределение информации между отдельными нейронами (см. дополнение 8-1).

284

281 :: 282 :: 283 :: 284 :: Содержание

284 :: 285 :: Содержание

8.5. Двигательные нейронные сети

Хотя некоторые из элементарных принципов переработки сенсорной информации стали сегодня понятными, многое остается еще не ясным. Например, до сих пор не известны нервные механизмы, ответственные за создание субъективного восприятия внешнего мира на основе оптического изображения, формируемого глазом; не ясно, каким образом вообще в нервной системе возникают субъективные ощущения любого рода. Остается загадочной и такая сложная и мало изученная область, как нервные цепи между сенсорным входом и моторным выходом. Схема, представленная на рис. 8-30, отражает современные представления о простом генераторе ритмического моторного паттерна, находящегося под влиянием сенсорного входа и лежащего в основе таких процессов, как ходьба, дыхание и т. п. Конечным итогом центральной интеграции сенсорных сигналов, действовавших в прошлом и действующих в настоящий момент, является координированный двигательный выход, который мы называем поведением. Рассмотрим некоторые простые примеры моторного контроля.

284

Рис. 8.30. Блок-схема нейронной цепи

между сенсорным входом и двигательным выходом. Сенсорный вход отчасти определяется двигательной активностью животного. Обратите внимание, что на "магнитофоне" воспроизводится записанная на бесконечную ленту "моторная программа", т.е. эндогенный паттерн двигательных сигналов. Представленная схема несколько произвольна, так как в действительности отдельные ее блоки обычно в известной мере перекрываются.

285

284 :: 285 :: Содержание

285 :: 286 :: Содержание

8.5.1. Миотатический рефлекс (рефлекс на растяжение)

У позвоночных в простейших формах миотатического рефлекса (рефлекса на растяжение мышц) участвуют всего два типа нервных элементов: афферентные волокна 1а и альфа-мотонейроны (рис. 8-31, А). Афференты типа 1а имеют в мышце окончания, чувствительные к растяжению. В ЦНС они образуют синапсы на альфа-мотонейронах, так что создается моносинаптическая рефлекторная дуга. Сенсорные терминали афферентного волокна 1а спирально закручены вокруг центрального несократимого участка мышечного веретена. Мышечное веретено представляет собой рецептор растяжения, содержащий тонкий пучок специализированных интрафузалъных мышечных волокон; эти волокна отличаются от экстрафузальных волокон, составляющих основную массу мышцы. Экстрафузальные волокна иннервируются альфа-мотонейронами. Именно эти волокна ответственны за развитие напряжения и сокращение мышцы. Интрафузальных волокон в мышце гораздо меньше, и в развитии мышечного напряжения они практически не участвуют. Их иннервируют мотонейроны особого типа - гамма-мотонейроны (на рис. 8-31 не изображены). Гамма-контроль интрафузальных волокон будет рассмотрен в следующем разделе.