Мембранная теория возбуждения

Поверхностный слой цитоплазмы живой клетки обладает избирательной проницаемостью к ионам. Это обусловлено его молекулярным строением. Под электронным микроскопом установлено, что поверхностный слой клетки состоит из определенным образом ориентированных молекул белков и липидов. Толщина его различна у разных клеток, например у эритроцитов 10-20 нм, а у мякотных нервных волокон около 7,5-10 нм. Поверхностный слой клетки обозначается как ее мембрана. Мембрана — это не анатомическое понятие, а физиологическое. Поверхностному слою цитоплазмы свойственны особые функции взаимодействия со средой, окружающей клетку.

На мембране находятся системы ферментов — катализаторов биохимических процессов, происходящих в мембране, в цитоплазме и во всех внутренних образованиях клетки.

Избирательная проницаемость мембраны обусловлена тем, что в ней между молекулами имеются очень узкие промежутки диаметром в десятые доли нанометра — поры. Через эти поры проходят молекулы воды и гидратированные ионы. Диаметр пор при возбуждении иной, чем при покое. В нервных волокнах на мембране располагаются диссоциированные фосфатные и карбоксильные группы, что обусловливает ее значительно меньшую проницаемость для анионов, чем для катионов. Мембрана нервных волокон в покое в 20-100 раз более проницаема для ионов калия, чем для ионов натрия. В невозбужденных нервных и мышечных клетках в 20-50 раз больше ионов калия, в 10-12 раз меньше ионов натрия, и в 14-50 раз меньше ионов хлора, чем снаружи, во внеклеточной жидкости.

Предполагается, что в покое поры мембраны, через которые проходят ионы Ка, закрыты ионами Са, электростатически задерживающими вход в клетку ионов Na. Ионы Са имеют существенное значение для проницаемости мембраны к ионам № и К. Уменьшение концентрации ионов Са снаружи увеличивает количество и скорость прохождения через мембрану ионов Na и К. При, отсутствии снаружи ионов Са наблюдается полная невозбудимость миелиновых нервных волокон. Существует «кальциевый насос», но проницаемость мембраны для иона Са в два раза меньше, чем для иона Na. Поток ионов Са внутрь клетки незначителен, при возбуждении он увеличивается, а выход ионов Са наружу не меняется.

При отсутствии раздражения существует электрическая поляризация мембраны, так как между наружной и внутренней поверхностями цитоплазматической мембраны имеется разность потенциалов благодаря неравномерному распределению ионов. Цитоплазматическая мембрана в покое проницаема для катионов и непроницаема для выхода из клетки связанных с ними анионов (органических и хлора).

Так как в цитоплазме большинства клеток концентрация ионов К значительно больше, чем в окружающей среде, то они проходят через мембрану вдоль концентрационного градиента на наружную ее поверхность.

Примерно на расстоянии 30 нм от поверхности клетки располагается слой катионов К. Так как анионы хлора не выходят через мембрану и медленно диффундируют из внеклеточной жидкости в цитоплазму, то они накапливаются у внутренней поверхности мембраны и вместе с органическими анионами электростатически удерживают ионы Na и К. Поэтому в покое наружная поверхность мембраны заряжена электроположительно, а ее внутренняя поверхность — электроотрицательно.

При повреждении клетки отводится потенциал внутренней поверхности мембраны, т. е. электроотрицательный. В покое клеточный потенциал регистрируется прокалыванием мембраны микроэлектродом и, следовательно, отведением тока от внутренней ее поверхности. В покое величина клеточного потенциала, или разности потенциалов, наружной и внутренней поверхностей мембраны, у разных клеток неодинакова (Ходжкин, 1951; Хаксли, 1952).

В возникновении клеточного потенциала участвуют и ионы Na, которые диффундируют в цитоплазму клетки из внеклеточной жидкости, где их содержание значительно больше, чем внутри клетки. Но в покое проницаемость мембраны к ионам На очень мала. Так как в покое сравнительно большая диффузия положительно заряженных ионов К на наружную поверхность клетки преобладает над сравнительно небольшой диффузией положительно заряженных ионов Na внутрь клетки, то снаружи клетки создается перевес положительно заряженных ионов и разность потенциалов между наружной и внутренней сторонами мембраны несколько меньше вычисленной по формуле Нернста. Величина клеточного потенциала для нервных и мышечных волокон по формуле равна примерно 90 мв, а измеренная в опыте — 60-70 мв.

Согласно современной мембранной теории, потенциал покоя является разностью биопотенциалов между наружной поверхностью мембраны и цитоплазмой при покое клетки. Эта разность обусловлена диффузией ионов калия, натрия и хлора. Это подтвердилось при математических расчетах диффузии, которые почти совпали с величиной потенциала покоя, установленной в эксперименте на нервных волокнах.

Диффузия ионов через мембрану изучена посредством радиоактивных изотопов Na24 и К42 («меченых атомов»).

Мембранный потенциал у большинства клеток меньше 100 мв. У высокодифференцированных клеток клеточный потенциал больше, чем у менее дифференцированных. У нервных и мышечных клеток он больше, чем у эпителиальных. Клеточный потенциал изменяется с возрастом.

Согласно классической мембранной теории Бернштейна (1902), предполагалось, что при раздражении клетки или при ее возбуждении изменяется ее проницаемость ко всем ионам в месте раздражения или возбуждения. Причина возбуждения — разрыхление поверхностной мембраны цитоплазмы, которая становится проходимой и для анионов, и поэтому возбужденный участок становится электроотрицательным. Так как теперь катионы больше не удерживаются анионами, то они частично теряются в окружающую среду, особенно ионы калия. В результате исчезает разница в концентрации ионов и разность потенциалов между наружной и внутренней поверхностями мембраны. Это прекращение поляризации обозначается как деполяризация. Оказалось, что при возбуждении происходит не деполяризация, а реверсия, или извращение, разности потенциалов наружной поверхности мембраны. Мембранный потенциал, зарегистрированный в покое, падает до нуля, а затем внутренняя поверхность мембраны становится электроположительной по отношению к наружной ее поверхности, которая становится электроотрицательной.

Ходжкин и Катц с сотр. в 1939-1940 гг., вводя внутрь клетки микроэлектроды и регистрируя при этом клеточные потенциалы, обнаружили, что в месте возбуждения возникает потенциал действия и происходит не только полная деполяризация, а возникает разность потенциалов, противоположная той, которая была в покое, — примерно — 40 мв (знак минус означает противоположное направление разности потенциалов). Вольтаж потенциала действия превышает вольтаж клеточного потенциала покоя. Этот «перескок» потенциалов при возбуждении клетки тем больше, чем больше диаметр клетки. В небольших клетках, например во вставочных нейронах спинного мозга, он незначителен или отсутствует. Оказалось (Ходжкин и Катц, 1949), что превышение потенциала действия над клеточным потенциалом зависит от большей концентрации ионов Na в тканевой жидкости, окружающей клетку, чем внутри клетки. При помещении нервных и мышечных клеток в растворы с пониженным содержанием ионов т. е. при уменьшении концентрации ионов Na снаружи клетки, «перескок» при возбуждении уменьшается, а затем исчезает. Когда содержание ионов Na снаружи клетки уменьшается до 1/3-1/6 их нормальной концентрации, превышение потенциалом покоя исчезает. И, наоборот, когда содержание снаружи ионов Na снаружи клетки увеличивается и становиться избыточным, реверсия увеличивается. Цитоплазма клетки постоянно выталкивает ионы Na, поступающие по концентрационному градиенту внутрь клетки («натриевый насос»). В покое, когда количество ионов Na, поступавших в клетку и выталкивающих в клетку и вытолкнутых из неё, уравнивается, распределение ионов Na снаружи и внутри клетки такое же, как при непроницаемости мембраны к этим ионам. Натриевый «насос» поддерживает внутреннюю концентрацию Na в нервном волокне на уровне около 10% от его наружной концентрации.

Когда возникает возбуждение, мгновенно теряется способность цитоплазмы выталкивать ионы Na и они очень быстро поступают внутрь клетки вдоль концентрационного градиента.

При возбуждении резво увеличивается проницаемость мембраны для ионов Na, она приблизительно в 10 раз превосходит проницаемость для ионов К. Диффузия положительно заряженных ионов Na внутрь клетки начинает значительно превышать диффузию положительно заряженных ионов K не внешнюю поверхность мембраны.

При возбуждении и деполяризации мембраны ионы Ca удаляются и открывают поры, по которым ионы Na проникают внутрь клетки.

Переносимые ионами Na внутрь клетки положительные заряды заряжают мембрану в противоположном направлении, не более чем на 50 мв. Невозможность превышения этой максимальной величины потенциала действия объясняется тем, что при каждом импульсе возбуждения повышается проницаемость мембраны к ионам K, которые, выходя из клетки наружу, т.е. двигаясь в противоположном направлении, не более чем на 50 мв. Невозможно превышения этой максимальной величины потенциала действия объясняется тем, что при каждом импульсе возбуждения повышается проницаемость мембраны к ионам К, которые, выходя из клетки наружу, т.е. двигаясь в противоположном направлении по сравнению с ионами Na, уменьшают потенциал действия, а затем восстанавливают прежнюю величину клеточного потенциала. Ионы Na, проникая при возбуждении внутрь клетки, усиливают способность мембраны переносить их внутрь клетки.

Следовательно, при возбуждении количество ионов № в цитоплазме клетки увеличивается, а количество ионов К уменьшается. Затем благодаря активности цитоплазмы исходные концентрации этих ионов восстанавливаются. Во время восстановительного периода ионы Nа выталкиваются из клетки.

Оказалось, что существует не только активное выталкивание из цитоплазмы ионов Ma против концентрационного градиента («натриевый насос»), но и активное накопление ионов К внутри клетки («калиевый насос») против их концентрационного градиента. В покое ионы Ca выталкиваются из клетки наружу в обмен на ионы К или на ионы Ma, поступающие снаружи. Следовательно, обмен обоими ионами через мембрану взаимосвязан.

При замене цитоплазмы нервных волокон кальмара раствором К оказалось, что если содержание ионов К в растворе было близко к внутриклеточному, то отводился обычный клеточный потенциал, но если содержание ионов К в растворе уменьшалось, то клеточный потенциал снижался или даже извращался. Функционирование обоих «насосов» обусловлено затратой энергии обмени веществ (АТФ и креатинфосфата). АТФ расщепляется ферментом аденозинтрифосфатазой. Предполагается, что передача возбуждения с двигательного нерва на мышечные волокна происходи г при участии «кальциевого насоса», также работающего за счёт энергии, освобождающейся при расщеплении АТФ.

При подпороговых раздражениях возникает местный потенциал, так как перенос ионов Ма не достигает критического уровня, при котором этот процесс усиливается мембраной. При пороговых раздражениях достигается этот критический уровень, и ионы Ма, проникающие в клетку, усиливают активный перенос мембраной ионов Ма внутрь клетки.

Рефрактерность в связи с интенсивной деполяризацией зависит от того, что уже на высоте возбуждения прекращается активный перенос ионов Ма внутрь клетки и усиливается проницаемость мембраны к ионам К и их выход наружу, что повышает порог раздражения или создает полную невозбудимость.

Аккомодация к постепенно усиливающемуся раздражению и катодическая депрессия Вериго — результат частичного прекращения активного переноса ионов На при длительной иодпорого-вой деполяризации мембраны.

При переходе от возбуждения к покою усиливается выход ионов К из цитоплазмы клетки наружу, при этом восстанавливается поляризация, что обозначается как реполяризация.

Сначала реполяризация протекает быстро, а потом замедляется, что соответствует отрицательному следовому потенциалу. Одновременно снижается или теряется проницаемость мембраны для диффузии ионов Ка в клетку снаружи, которая обозначается как инактивация (Ходжкин). При ритмических раздражениях инактивация усиливается.

Гиперполяризация мембраны нервной клетки, или увеличение разности потенциалов между наружной и внутренней поверхностями мембраны, при действии тормозящих синапсов зависит от избирательного повышения проницаемости мембраны к ионам К и Сl, которые имеют значительно меньший диаметр гидратной оболочки, чем ионы Na. При действии медиатора ионы К начинают в большем количестве проходить через мембрану на поверхность клетки, а ионы Сl — больше диффундировать внутрь клеток, что увеличивает электроположительный заряд мембраны.

После достижения критического уровня ионы Сl начинают выходить наружу.

Длительная гиперполяризация восстанавливает активный перенос ионов Nа внутрь клетки, что проявляется в повышении возбудимости после анэлектротона.

Гиперполяризация происходит также при замыкании постоянного электрического тока под анодом, а под катодом при этом возникает деполяризация. Эти электротонические изменения мембранного потенциала имеют физическую природу, они пассивны, чем отличаются от активной гиперполяризации и активной деполяризации при возбуждении, которые возникают вследствие изменения проницаемости мембраны для ионов Na и К.

Следовые потенциалы, которые наблюдаются после пика тока действия, объясняются следующим образом: отрицательный, деполяризационный потенциал зависит от остаточной активности переноса ионов а положительный, гиперполяризационный потенциал — от остаточного повышения проницаемости к ионам К.

Деполяризация мембраны при действии возбуждающих синапсов зависит от повышения проницаемости мембраны к большинству ионов под влиянием другого медиатора.

Повреждение клетки при введении в нее микроэлектродов уменьшает поляризацию, а не вызывает ее. Доказано, что катионы находятся в клетке не в связанном состоянии и обладают большой подвижностью. Подвижность радиоактивных изотопов К и Nа измерена. Огромное электрическое сопротивление мембраны подтверждает ее существование. Механизм ионной проницаемости мембран изучен недостаточно. Возможно, ионы проходят через поры вследствие изменения величины электрического поля на мембране, которая меняется при возбуждении. Необходима дальнейшая разработка мембранной теории: изучение молекулярного строения мембраны, выяснение роли ферментов, АТФ и других соединений в ее избирательной проницаемости и т. д.

Химические изменения в нервах. В нерве, как и мышце, окислительные процессы происходят и в состоянии относительного покоя. Во время возбуждения обмен веществ значительно возрастает и потребление кислорода и выделение углекислого газа заметно увеличиваются. Количество поглощенного нервом кислорода увеличивается в зависимости от повышения частоты его раздражения.

В покое в нервах расщепляется главным образом глюкоза, но окисляются не только углеводы, а также жиры и белки. При возбуждении увеличивается бескислородный распад углеводов, что приводит к образованию молочной и пировиноградной кислот. В нервных волокнах при возбуждении увеличивается синтез ацетилхолина при участии витамина В1 (анейрина). При возбуждении нервной ткани увеличивается также выход калия в окружающую среду, так как ацетилхолин освобождает калий. Выделяется также аммиак, что указывает на расщепление азотистых соединений. При раздражении нерва образование аммиака увеличивается почти в 3 раза. После перерыва связи нерва с центральной нервной системой синтез аммиака в нем падает. Следовательно, образование аммиака в нервах связано с поступлением волн возбуждения из центральной нервной системы.

При возбуждении в нервах расщепляются АТФ и креатинфосфорная кислоты. Есть основания считать, что при этом происходит обратимый распад креатинфосфата, но в отличие от мышцы отсутствует ресинтез гексозофосфага из молочной кислоты.

Существуют отличия в химических процессах, протекающих в разных нервах и различных участках нервной системы.

В филогенезе обмен веществ и нервах становится более экономным. Например, нервы беспозвоночных животных (беззубки) в покое потребляют в 5 раз больше кислорода и в 5 раз больше выделяют аммиака, чем мякотный нерв лягушки.