аксонов и стали естественным объектом для изучения мембран. Диаметр аксонов

достигает 1 мм и дает возможность вводить в них электроды и капилляры. В

результате можно измерить как мембранный потенциал, так и концентрацию

внутриклеточного раствора.

Выяснилось, что мембранная теория Бернштейна в целом верна, хотя и нуждается во

внесении ряда существенных дополнений и изменений. В частности верным оказалось

утверждение, что потенциал покоя обусловлен в основном

электрохимическим потенциалом ионов

. Наоборот, согласно теории Бернштейна в точке максимума потенциала действия

(спайка) мембранный потенциал должен быть равен нулю (ток ионов прекращается,

когда напряжение равно нулю). Однако, английские физиологи А. Ходжкин и А.

Хаксли в 1939 г. показали, что на максимуме потенциала действия мембранный

потенциал не уничтожается, а меняет знак. Внешняя поверхность мембраны

заряжается положительно по отношению к внутренней. Явление получило название

«овершут» и не имело объяснений в рамках теории Бернштейна. Оно связано с

неравномерным распределением ионов натрия. Оказалось, что концентрация ионов

внутри клетки примерно в десять раз ниже чем в межклеточной жидкости. В начале

спайка ионы натрия под действием электрического поля и концентрационного

градиента устремляются из межклеточной среды в клетку (в клетке их концентрация

ниже, а внутренняя поверхность мембраны заряжена отрицательно по отношению к

внешней). В этом гипотеза Бернштейна оказалась верной. После смены знака

мембранного потенциала ионы натрия продолжают перемещаться в клетку только под

действием концентрационного градиента. Мембранный потенциал на максимуме

овершута приближается к равновесному электрохимическому потенциалу для ионов

. В дальнейшем проницаемость мембраны для ионов натрия падает и активируется

проводимость для ионов калия, которые движутся из клетки, где их концентрация

выше. Ионы калия уносят из клетки положительный заряд. Внутренняя поверхность

мембраны заряжается отрицательно. Этот натриево-калиевый цикл ниже будет

рассмотрен подробнее.

В течение цикла ионы натрия заходят в клетку, а ионы калия ее покидают. Такое

замещение должно выравнивать концентрации ионов. Казалось бы, что после ряда

циклов нервная клетка не должна генерировать спайков (концентрации ионов

внутри и вне клетки уравняются). В действительности это не так. Неравномерное

распределение ионов внутри и вне клетки поддерживается активным транспортом

ионов. Механизмы, осуществляющие транспорт ионов через мембрану в сторону

повышенной концентрации, называются мембранными насосами (помпами). Они

потребляют энергию, которая освобождается в результате окисления аминокислот.

Наиболее изучен натриевый насос. Он выводит ионы

из клетки и одновременно транспортирует ионы

внутрь клетки. Этот процесс включает в себя обязательный обмен двух ионов

во внешней среде на три иона

в клетке (если удалить из среды ионы

, то ионы из клетки

выводиться уже не будут). Если мембранный потенциал отрицателен (внутренняя

поверхность мембраны заряжена отрицательно), то натриевый насос выполняет

электрическую работу, выводя из клетки суммарно один положительный заряд.

Натриевый насос действует избирательно. Например, он не способен переносить

ионы лития. Молекулярный механизм активного транспорта в настоящее время до

конца не ясен.

Натриевый насос - один из главных механизмов, благодаря которому внутри клетки

поддерживается избыточная по сравнению с внешней средой концентрация ионов

и недостаточная, примерно в десять раз меньшая, чем во внеклеточной жидкости,

концентрация ионов

.

Для исследования процесса генерации спайка А.Ходжкиным и А.Хаксли был

разработан оригинальный прием, который называется методом фиксации

потенциала. Внутриклеточно вводятся электроды и используется система с

обратной связью, позволяющая поддерживать мембранный потенциал на любом

заданном уровне. Тем самым, можно имитировать различные фазы потенциала

действия, как бы “замораживая” его. Система позволяет измерять ионные токи.

Изменяя ионный состав среды (так же через микрокапилляры меняют состав

внутриклеточной жидкости) можно идентифицировать ионы, которые обуславливают

ток. Исследования обнаружили, что даже пассивный транспорт ионов (в

соответствии с градиентом концентраций и направлением электрического поля)

подчиняется специфическим закономерностям. Для их объяснения А.Ходжкиным и

А.Хаксли была высказана гипотеза о наличии в мембране специальных ионных

каналов, служащих для их транспортировки.

При положительном отклонении мембранного потенциала от потенциала в состоянии

покоя (значение потенциала уменьшается по абсолютной величине) активируются,

т.е. открываются каналы для

, пропускающие эти ионы внутрь клетки. Ионы

движутся в соответствии с направлением электрического поля, причем в область с

меньшей концентрацией. Каналы играют роль селективных (избирательных) фильтров,

пропускающих ионы и

непроницаемых для других ионов. Механизмы, приводящие к открытию и закрытию

каналов, называются воротами. При деполяризации (уменьшении абсолютной

величины мембранного потенциала) открываются активационные так называемые

-ворота для натриевых каналов. Чем сильнее деполяризована мембрана, тем больше

-ворот открыто, что в свою очередь увеличивает деполяризацию. Процесс открытия

ворот протекает лавинообразно.

При относительно длительной деполяризации натриевые каналы инактивируются.

Срабатывают так называемые

-ворота, которые блокируют каналы через время порядка 1 мсек после открытия

-ворот. В 1980 г. Ф. Сигворс и Э. Неер зарегистрировали токи через единичные

натриевые каналы. Оказалось, что они подчиняются закону «все или ничего»,

Открываются практически мгновенно, а через время около 1 мсек. так же

практически мгновенно закрываются. Ионные каналы представляют собой молекулы

белка, вкрапленные в липидный слой мембраны.

В районы максимума пика потенциала действия большинство натриевых каналов

инактивируется, т.е. закрываются

-ворота. Встает вопрос: каким образом мембранный потенциал возвращается к

исходному уровню -состоянию покоя? Экспериментально А. Ходжкин и А. Хаксли

обнаружили, что с некоторым запаздыванием по отношению к началу натриевого тока

возникает калиевый ток. Ионы калия начинают покидать клетку, поскольку

активируются калиевые каналы. Гипотеза связывает это с открытием так называемых

-ворот. Ионы калия движутся в область с меньшей концентрацией (пассивный

транспорт). При этом в районе овершута (мембранный потенциал положителен)

движение осуществляется в соответствии с направлением электрического поля.

Калиевый ток уносит из клетки (точнее с внутренней поверхности мембраны)

отрицательный заряд. Мембрана снова поляризуется.

Считается, что в отличие от натриевых каналов, для калиевых каналов нет

инактивационных ворот. Активационные

-ворота сами закрываются, когда мембрана возвращается к уровню потенциала покоя

(реполяризуется).

Важна отметить, что количество ионов, которое проходит через мембрану при

одиночном потенциале действия, практически не вызывает изменения

внутриклеточных концентраций ионов. Исключение могут составлять лишь мельчайшие

нервные клетки. По некоторым оценкам при одном потенциале действия содержание

внутри гигантского аксона кальмара изменяется всего лишь на

от исходного. Если блокировать активные натриевые насосы каким-нибудь ядом, то

аксон все равно сможет сгенерировать несколько тысяч импульсов. Непосредственно

активный транспорт не участвует в генерации спайков. Однако, он поддерживает на

должном уровне концентрационные градиенты, наличие которых приводит к

возникновению потенциалов действия.

После описания механизма генерации спайка, обратимся к системе уравнений,

описывающей это процесс. Она предложена А. Ходжкиным и А. Хаксли.

Аксон Ходжкина - Хаксли

Модель базируется на электрохимическом уравнении (3). Мембранный потенциал будем

отсчитывать от его уровня

в состоянии покоя, т.е. положим

, или же .

Аналогично введем обозначения для отсчитываемых от

равновесных электрохимических потенциалов

и . Ясно, что

сохраняются разности:

и . В создании

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7