Проницаемость биомембран

 

В настоящее время установлено, что ионные каналы имеют следующее  строение:

 

1.Селективный фильтр, расположенный  в устье канала. Он обеспечивает  прохождение через канал строго  определенных ионов.

 

2.Активационные ворота, которые  открываются при определенном  уровне мембранного потенциала  или действии соответствующего  ФАВ. Активационные ворота потенциалзависимых каналов имеется сенсор, который открывает их на определенном уровне МП.

 

3.Инактивационные ворота, обеспечивающие закрывание канала  и прекращение проведения ионов  по каналу на определенном  уровне МП.

 

Неспецифические ионные каналы не имеют ворот.

 

Селективные ионные каналы могут находиться в трех состояниях, которые определяются положением активационных (м) и инактивационных (h) ворот (рис):

 

1.Закрытом, когда активационные  закрыты, а инактивационные открыты.

 

2.Активированном, и те и другие ворота открыты.

 

3.Инактивированном, активационные ворота открыты, а инактивационные закрыты.

 

Суммарная проводимость для  того или иного иона определяется числом одновременно открытых соответствующих  каналов. В состоянии покоя открыты  только калиевые каналы, обеспечивающие поддержание определенного мембранного  потенциала и закрыты натриевые. Поэтому мембрана избирательно проницаема для калия и очень мало для  ионов натрия и кальция, за счет имеющихся  неспецифических каналов. Соотношение  проницаемости мембраны для калия  и натрия в состоянии покоя  составляет 1:0,04. Ионы калия поступают  в цитоплазму и накапливаются  в ней. Когда их количество достигает  определенного предела, они по градиенту  концентрации начинают выходить через  открытые калиевые каналы из клетки. Однако уйти от наружной поверхности клеточной  мембраны они не могут. Там их удерживает электрическое поле отрицательно заряженных анионов, находящихся на внутренней поверхности. Это сульфат, фосфат и  нитрат анионы, анионные группы аминокислот, для которых мембрана не проницаема. Поэтому на наружной поверхности  мембраны скапливаются положительно заряженные катионы калия, а на внутренней отрицательно заряженные анионы. Возникает трансмембранная  разность потенциалов. Рис.

 

Выход ионов калия из клетки происходит до тех пор, пока возникший  потенциал с положительным знаком снаружи не уравновесит концентрационный градиент калия, направленный из клетки. Т.е. накопившиеся на наружной стороне  мембраны ионы калия не будут отталкивать  внутрь такие же ионы. Возникает  определенный потенциал мембраны, уровень  которого определяется проводимостью  мембраны для ионов калия и  натрия в состоянии покоя. В среднем, величина потенциала покоя близка к  калиевому равновесному потенциалу Нернста. Например, МП нервных клеток составляет 55-70 мВ, поперечно-полосатых – 90-100 мВ, гладких мышц – 40-60 мВ, железистых клеток – 20-45 мВ. Меньшая реальная величина МП клеток, объясняется тем, что его величину уменьшают ионы натрия, для которых мембрана незначительно проницаема и они могут входить в цитоплазму. С другой стороны, отрицательные ионы хлора, поступающие в клетку, несколько увеличивают МП.

 

Так как мембрана в состоянии  покоя незначительно проницаема для ионов натрия, необходим механизм выведения этих ионов из клетки. Это связано с тем, что постепенное  накопление натрия в клетке привело  бы к нейтрализации мембранного  потенциала и исчезновению возбудимости. Этот механизм называется натрий-калиевым насосом. Он обеспечивает поддержание разности концентраций калия и натрия по обе стороны мембраны. Натрий-калиевый насос – это фермент натрий-калиевая АТФ-аза. Его белковые молекулы встроены в мембрану. Он расщепляет АТФ и использует высвобождающуюся энергию для противоградиентного выведения натрия из клетки и закачивания калия в неё. За один цикл каждая молекула натрий-калиевой АТФ-азы выводит 3 иона натрия и вносит 2 иона калия. Так как в клетку поступает меньше положительно заряженных ионов, чем выводится из неё, натрий-калиевая АТФ-аза на 5-10 мВ увеличивает мембранный потенциал.

 

В мембране имеются следующие  механизмы трансмембранного транспорта ионов и других веществ:

 

1.Активный транспорт.  Он осуществляется с помощью  энергии АТФ. К этой группе  транспортных систем относятся  натрий-калиевый насос, кальциевый насос, хлорный насос.

 

2.Пассивный транспорт.  Передвижение ионов осуществляется  по градиенту концентрации без  затрат энергии. Например, вход  калия в клетку и выход из  неё по калиевым каналам.

 

3.Сопряженный транспорт.  Противоградиентный перенос ионов без затрат энергии. Например таким образом происходит натрий-натриевый, натрий-кальциевый, калий – калиевый обмен ионов. Он происходит за счет разности концентрации других ионов.

 

Мембранный потенциал  регистрируется с помощью микроэлектродного  метода. Для этого через мембрану, в цитоплазму клетки вводится тонкий, диаметром менее 1 мкМ стеклянный микроэлектрод. Он заполняется солевым раствором. Второй электрод помещается в жидкость, омывающую клетки. От электродов сигнал поступает на усилитель биопотенциалов, а от него на осциллограф и самописец.

 

Дальнейшие исследования Ходжкина и Хаксли показали, что при возбуждении аксона кальмара возникает быстрое колебание мембранного потенциала, которое на экране осциллографа имело форму пика (spike). Они назвали это колебание потенциалом действия (ПД). Так как электрический ток для возбудимых мембран является адекватным раздражителем, ПД можно вызвать, поместив на наружную поверхность мембраны отрицательный электрод – катод, а внутреннюю положительный – анод. Это приведет к снижению величины заряда мембраны – ее деполяризации. При действии слабого допорогового тока происходит пассивная деполяризация, т.е. возникает катэлектротон (рис). Если силу тока увеличить до определенного предела, то в конце периода его воздействия на плато катэлектротона появится небольшой самопроизвольный подъём – местный или локальный ответ. Он является следствием открывания небольшой части натриевых каналов, находящихся под катодом. При токе пороговой силы МП снижается до критического уровня деполяризации (КУД), при котором начинается генерация потенциала действия. Он находится для нейронов примерно на уровне – 50 мВ.

 

На кривой потенциала действия выделяют следующие фазы:

 

1.Локальный ответ (местная  деполяризация), предшествующий развитию  ПД.

 

2.Фаза деполяризации.  Во время этой фазы МП быстро  уменьшается и достигает нулевого  уровня. Уровень деполяризации растет  выше 0. Поэтому мембрана приобретает  противоположный заряд – внутри  она становится положительной,  а снаружи отрицательной. Явление  смены заряда мембраны называется  реверсией мембранного потенциала. Продолжительность этой фазы  у нервных и мышечных клеток 1-2 мсек.

 

3.Фаза реполяризации. Она начинается при достижении определенного уровня МП (примерно +20 мВ). Мембранный потенциал начинает быстро возвращаться к потенциалу покоя. Длительность фазы 3-5 мсек.

 

4.Фаза следовой деполяризации  или следового отрицательного  потенциала. Период, когда возвращение  МП к потенциалу покоя временно  задерживается. Он длится 15-30 мсек.

 

5.Фаза следовой гиперполяризации или следового положительного потенциала. В эту фазу, МП на некоторое время становится выше исходного уровня ПП. Ее длительность 250-300 мсек.

 

Амплитуда потенциала действия скелетных мышц в среднем 120-130 мВ, нейронов 80-90 мВ, гладкомышечных клеток 40-50 мВ. При возбуждении нейронов ПД возникает в начальном сегменте аксона – аксонном холмике.

 

Возникновение ПД обусловлено  изменением ионной проницаемости мембраны при возбуждении. В период локального ответа открываются медленные натриевые  каналы, а быстрые остаются закрытыми, возникает временная самопроизвольная деполяризация. Когда МП достигает критического уровня, закрытые активационные ворота натриевых каналов открываются и ионы натрия лавинообразно устремляются в клетку, вызывая нарастающую деполяризацию. В эту фазу открываются и быстрые и медленные натриевые каналы. Т.е. натриевая проницаемость мембраны резко возрастает. Причем от чувствительности активационных зависит величина критического уровня деполяризации: чем она выше, тем ниже КУД и наоборот.

 

Когда величина деполяризация  приближается к равновесному потенциалу для ионов натрия (+20 мВ), сила концентрационного  градиента натрия значительно уменьшается. Одновременно начинается процесс инактивации быстрых натриевых каналов и снижения натриевой проводимости мембраны. Деполяризация прекращается. Резко усиливается выход ионов калия, т.е. калиевый выходящий ток. В некоторых клетках это происходит из-за активации специальных каналов калиевого выходящего тока. Этот ток, направленный из клетки, служит для быстрого смещения МП к уровню потенциала покоя. Т.е. начинается фаза реполяризации. Возрастание МП приводит к закрыванию и активационных ворот натриевых каналов, что еще больше снижает натриевую проницаемость мембраны и ускоряет реполяризацию.

 

Возникновение фазы следовой деполяризации объясняется тем, что небольшая часть медленных  натриевых каналов остается открытой.

 

Следовая гиперполяризация связана с повышенной, после ПД, калиевой проводимостью мембраны и тем, что более активно работает натрий-калиевый насос, выносящий вошедшие в клетку во время ПД ионы натрия.

 

Изменяя проводимость быстрых  натриевых и калиевых каналов  можно влиять на генерацию ПД, а следовательно на возбуждение клеток. При полной блокаде натриевых каналов, например ядом рыбы тетродонта – тетродотоксином, клетка становится невозбудимой. Это используется в клинике. Такие местные анестетики, как новокаин, дикаин, лидокаин тормозят переход натриевых каналов нервных волокон в открытое состояние. Поэтому проведение нервных импульсов по чувствительным нервам прекращается, наступает обезболивание (анестезия) органа. При блокаде калиевых каналов затрудняется выход ионов калия из цитоплазмы на наружную поверхность мембраны, т.е. восстановление МП. Поэтому удлиняется фаза реполяризации. Этот эффект блокаторов калиевых каналов также используется в клинической практике. Например, один из них хинидин, удлиняя фазу реполяризации кардиомиоцитов, урежает сердечные сокращения и нормализует сердечный ритм.

 

Также следует отметить, что чем выше скорость распространения  ПД по мембране клетки, ткани, тем выше ее проводимость.

  Модель электрогенеза живых тканей Голдмана, или модель Голдмана-Ходжкина-Катца, или уравнение Голдмана-Ходжкина-Катца - одна из концептуальных физико-химических моделей, описывающих механизмы существования электромагнитных явлений в живой ткани.

     Непосредственным  источником электромагнитной энергии  в любой клетке организма является  динамический концентрационный  элемент, образованный цитоплазматической  мембраной и растворами ионов,  которые неравновесно распределены между цитоплазмой и межклеточной жидкостью. Цитоплазматическая мембрана обладает неодинаковой проницаемостью для катионов и анионов и может изменяться в зависимости от разных причин. Процессы электрогенеза, протекающие на мембране являются стохастическими процессами.

     Простейшей материальной физико-химической моделью, демонстрирующей механизмы электрогенеза в живых тканях является модель Нернста, а соответствующей простейшей математической моделью - уравнение Нернста. Эта простейшая модель рассматривает раствор только одной соли. Живые ткани содержат значительное число разных электролитов. Математической моделью, аналогичной модели Нернста, но описывающей механизмы электрогенеза с учетом наличия многих электролитов, является модель Гольдмана-Ходжкина-Катца: ЭДС=(RT:F)·ln(pК1CК1e+pК2CК2e+…+pA1CA1i…):(pК1CК1i+pК2CК2i+…+pA1CA1e…)).  Здесь, как и в модели Нернста: R - универсальная газовая постоянная, Т - абсолютная температура растворов, F - число Фарадея, CK1 - концентрация катиона 1 (например, калия), CK2 - концентрация катиона 2 (например, натрия), CA1 - концентрация аниона 1 (например, хлора), pK - проницаемость мембраны для катиона, pA - проницаемость мембраны для аниона, индексы при символах CK1,…, CA1: i - на внутренней поверхности мембраны, e - на наружной поверхности мембраны.

     NB: Модель Голдмана, как и модель Нернста, основана на допущении, что мембрана обладает нерегулируемой проницаемостью для ионов, обусловленной размером пор мембраны. Авторы модели не делали допущений относительно сущности процессов на мембране. На основании того, что эта модель аналитическая (но не вероятностная), можно полагать, что авторы считали само собой разумеющимся, что процессы на мембране по своей сущности жестко детерминированы. Очевидно, что в действительности, процессы на мембране являются вероятностными. Полное их описание должно включать по крайней мере две функции: зависимость математического ожидания от концентраций и проводимостей как случайных переменных и зависимость дисперсии от тех же переменных. Помимо того, процессы на мембране не являются пассивными. Это активные управляемые процессы. В частности, движение ионов через плазмалемму клетки может осуществляться не только путем простой диффузии, но и путем активного транспорта (натриевый насос). Можно предположить, что те ученые, которые признают справедливость положений вероятностной методологии (Трифонов Е.В., 1978, …, 2011, …).Трифонов Е.В., 1978, …, 2002, ….), смогут первыми подтвердить эти новые идеи относительно вероятностной природы электрогенеза.

     Более жестким  возражением против принятия  детерминистских моделей электрогенеза, как истины последней инстанции, является то, что эти модели основаны на детерминистских предпосылках современной физики и химии. А эти предпосылки ложны. Мир есть иерархия не детерминистских, но вероятностных сущностей и явлений! Следовательно и предпосылки должны быть соответствующими реальности.

     Еще более  жестким возражением против принятия  детерминистских физико-химических  моделей электрогенеза, как истины последней инстанции, является то, что физико-химические сущности и явления не эквивалентны живым сущностям и явлениям. Некоторые физиологи еще в позапрошлом веке (19 в) понимали это. Вспомним аргументированную конструктивную критику И.М. Сеченова (1862 г.) «теории» биоэлектрогенеза отца электрофизиологии Э. Дюбуа-Реймона. Еще тогда И.М.Сеченов говорил: «Электрические явления мышц и нервов суть продукты их жизни» (курсив мой, см. статью Электрофизиология). Сколько же еще столетий понадобится ученым, чтобы осознать разницу между жизнью и физикой и химией?!

     И, наконец,  еще более жестким возражением  против принятия детерминистских  моделей электрогенеза, как истины последней инстанции, является то, что эти модели основаны на исключительно материалистических предпосылках современной физики и химии. Одной из таких предпосылок является запрет на все, что лежит за пределами материализма, то есть запрет метафизики и метанауки вообще. Простите, но это просто глупо, и непрактично отрицать то, чем человек пользуется со времени своего возникновения! Впрочем, это уже выходит за рамки обозначенной темы, но относится не более и не менее как ко всей современной науке.