На головну

ГЛАВА 4. МЕХАНІЗМИ ГЕНЕРАЦІЇ ПОТЕНЦІАЛУ ДІЇ

  1. II. Шляхи протидії психологічному впливу противника.
  2. II.3.3) Сила і простір дії законів.
  3. III Механізми психологічного вампіризму і типи психологічних вампірів
  4. IV етап (з середини XX ст. По теперішній час) - психологія як наука, що вивчає факти, закономірності та механізми психіки
  5. IV. Механізми державного управління
  6. IV. Механізми державного управління
  7. IV. Механізми державного управління

Експериментальною базою для створення моделі генерації потенціалу дії з'явилися результати дослідів з розділення іонних струмів порушеної аксона

Для поділу струмів використовували блокатор натрієвого струму - тетродотоксин (ТТХ) і блокатор калієвого струму - тетраетіламмоній (ТЕА).

Вимірювання вхідних і вихідних струмів проводилося в режимі фіксації потенціалу. При введенні в розчин тетродотоксина реєстрували тимчасову залежність вихідного струму До+, IK(T) При дії на мембрану тетрааетіламмоніем реєстрували тимчасову залежність вхідного струму Na+, INa (T) при тих же значеннях деполяризующего потенціалу, що і для калієвого струму.

У серії дослідів на аксоні кальмара було показано:

1) освіту потенціалу дії пов'язано з переносом іонів Na+ і К+ через мембрану;

2) провідністьмембрани для цих іонів змінюється в залежності від величини мембранного потенціалу і часу:

gNa(?M, T), gK(?M, T).

Надалі Ходжкин і Хакслі запропонували математичну модель, яка описувала зміни провідностей, а отже, і струмів іонів Na+ і К+ через мембрану в процесі збудження.

Основними постулатами цієї моделі є:

1) в мембрані існують окремі канали для перенесення іонів Na+і К+;

2) у внутрішній структурі мембрани існують деякі заряджені частинки, що управляють провідністю каналів. Залежно від величини напруженості прикладеного електричного поля ці гіпотетичні частинки можуть пересуватися в мембрані, і тим самим збільшувати або зменшувати потоки іонів Na+ і К+ через канали.

Передбачається, що іони калію можуть проходити через канал, якщо до його ділянці під дією електричного поля підійдуть одночасно чотири однозарядні частки. Позначимо n - ймовірність підходу однієї такої частки. Тоді провідність іонів калію:

gK= gK• n4

де gK - Максимальна провідність каналу для іонів К+. Четверта ступінь при n визначалася емпірично. величина n4 пояснювалася як ймовірність знаходження одночасно чотирьох активують частинок в деякому певному ділянці мембрани.

Зміна провідності для іонів Na+ описувалося більш складним виразом. Для натрієвого каналу передбачалося, що він відкривається, якщо одночасно в дану ділянку потрапляють три активують частки і видаляється одна блокує. Тоді, позначивши m - ймовірність приходу активує частки, a h- ймовірність видалення блокує, отримуємо:

gNa= gNa• m3h

де gNa - Максимальна провідність каналу для іонів Na+.

Тут введені два типи частинок, що активують і блокують, так як натрієвий струм в умовах фіксованого потенціалу спочатку наростає до максимуму - активація, а потім зменшується до 0 - інактивація. Ступеня при m і h також підбиралися емпірично, щоб найкращим чином описати кінетику струмів. Чисельні значення n, m і h мають сенс ймовірності знаходження відповідної частки в даному місці каналу, а величини їх можуть змінюватися від 0 (відсутність частки) до 1 (знаходження її в заданому місці.

Фізична інтерпретація моделі Ходжкіна-Хакслі вимагала наявності всередині мембрани деяких заряджених частинок, причому ці частки повинні пересуватися в залежності від зовнішнього електричного поля. Таким чином, для підтвердження другого постулату моделі необхідно було зареєструвати переміщення заряджених частинок усередині мембрани при зміні мембранного потенціалу, тобто зарегістріроват' так звані воротні струми. Важке виявлення комірних струмів полягала в тому, що активують частинок усередині мембрани дуже мало і, слід було але, мало значення воротного струму в порівнянні з іонними струмами, що проходять через мембрану.

Для виявлення комірних струмів за допомогою блокаторів ТТХ і ТЕА, а також заміною іонів Na+ в зовнішньому розчині на іони Тріс, виключали іонні струми; потім сходами міняли напруга на мембрані і реєстрували появу воротного струму натрієвого каналу, який виявився в 103 слабкіше натрієвого струму.

Зміна в часі воротного струму в аксоні кальмара було взаємопов'язано зі зміною натрієвого струму. Таким чином: на досвіді було показано існування комірних струмів, передбачених в моделі Ходжкіна-Хакслі.

Іонні канали клітинних мембран

Модель збудливою мембрани з теорії Ходжкіна-Хакслі передбачає регульований перенесення іонів через мембрану. Однак безпосередній перехід іона через ліпідний бішар дуже ускладнений. Тому величина коефіцієнта розподілу До в формулах дуже мала, а отже, був би малий і потік іонів, якби іон переходив безпосередньо через ліпідну фазу мембрани. Таким чином, безпосередній перенесення іонів через ліпідний бішар тільки за рахунок дифузії малоймовірний.

Можна припустити, що в мембрані повинні бути деякі спеціальні структури -проводять іони. Такі структури були знайдені і названі іонними каналами. Подібні канали виділені з різних об'єктів: плазматичної мембрани клітин, постсинаптичної мембрани м'язових клітин і інших об'єктів. Відомі також іонні канали, утворені антибіотиками.

Основні властивості іонних каналів:

1) селективність;

2) незалежність роботи окремих каналів;

3) дискретний характер провідності;

4) залежність параметрів каналів від мембранного потенціалу.

Розглянемо їх по порядку.

1. селективність називають здатність іонних каналів вибірково пропускати іони будь-якого одного типу.

Ще в перших дослідах на аксоні кальмара було виявлено що іони Na+ і К+ по-різному впливають на мембранний потенціал. Іони К+ змінюють потенціал спокою, а іони Na+ - Потенціал дії. У моделі Ходжкіна-Хакслі це описується шляхом введення незалежних калієвих і натрієвих іонних каналів. Передбачалося, що перші пропускають тільки іони К+, А другі - тільки іони Na+.

Вимірювання показали, що іонні канали мають абсолютної селективність по відношенню до катіонів (катіон-селективні канали) або до анионам (аніон-селективні канали). У той же час через катіон-селективні канали здатні проходити різні катіони різних хімічних елементів, але провідністьмембрани для неосновного іона, а значить, і струм через неї, буде істотно нижче, наприклад, для Na+-кaнала калієвий струм через нього буде в 20 разів менше. Здатність іонного каналу пропускати різні іони називається відносної селективність і характеризується поруч селективності - Співвідношенням проводимостей каналу для різних іонів, узятих при однієї концентрації. При цьому для основного іона селективність приймають за 1. Наприклад, для Na+-каналу цей ряд має вигляд:

Na+: K+= 1: 0,05.

2. Незалежність роботи окремих каналів. Проходження струму через окремий іонний канал не залежить від того, чи йде струм через інші канали. Наприклад, К+-канали можуть бути включені або виключені, але струм через Nа+-канали не змінюється. Вплив каналів один на одного відбувається опосередковано: зміна проникності будь-яких каналів (наприклад, натрієвих) змінює мембранний потенціал, а вже він впливає на провідності інших іонних каналів.

3. Дискретний характер провідності іонних каналів. Йонні канали є субодиничний комплекс білків, пронизливий мембрану. У центрі його існує трубка, крізь яку можуть проходити іони. Кількість іонних каналів на 1 мкм2 поверхні мембрани визначали за допомогою радіоактівномеченного блокатора натрієвих каналів - тетродотоксина. Відомо, що одна молекула ТТХ пов'язується тільки з одним каналом. Тоді вимір радіоактивності зразка з відомою площею дозволило показати, що на 1 мкм2 аксона кальмара знаходиться близько 500 натрієвих каналів. Ті трансмембранні струми, які вимірюють у звичайних експериментах, наприклад, на аксоні кальмара завдовжки 1 см і діаметром 1 мм, обумовлені сумарним відповіддю (зміною провідності) 500 - 3 - 107 - 1010 іонних каналів. Для такої відповіді характерно плавне в часі зміна провідності. Відповідь одиночного іонного каналу змінюється в часі принципово іншим чином: дискретно і для Na+-каналів, і для До+-, І для Са2+-каналів.

Результати експериментів, виконаних на різних іонних каналах, показали, що провідність іонного каналу дискретна і він може перебувати в двох станах: відкритому чи закритому. Переходи між станами відбуваються у випадкові моменти часу і підкоряються статистичним закономірностям. Не можна сказати, що даний іонний канал відкриється саме в цей момент часу. Можна лише зробити твердження про ймовірності відкривання каналу в певному інтервалі часу.

Розглянемо струми через поодинокі Ка+-канали.

Канал за час одного такого деполяризующего зсуву відкривався лише один раз на час tи, Яке будемо називатичасом відкритого стану каналу.

Середнє значення tи для Na+-каналу ? 0,7 мс (від 0,3 до 1,5 мс).

Одиночний канал може відкритися раніше (1-й досвід) або пізніше (N-й досвід). Час, протягом якого ймовірність відкривання окремого каналу велика, будемо називати часом життя каналів: TNa, ТСа. Для натрієвих каналів TNa? 2 мс.

Таким чином, процес відкриття натрієвих каналів - процес стохастичний: зсув ?м вище порогового значення збільшує ймовірність відкривання каналів, тобто йде процес їх активації. З плином часу життя каналів TNa ймовірність їх відкривання падає до нуля і цей процес називається інактивацією Na+-токa.

Незважаючи на те, що струм через кожен іонний канал змінюється стрибком, залежність сумарного трансмембранного струму в часі плавна Цей феномен можна пояснити, використовуючи методи статистичної фізики.

Сумарний струм I через N одиночних іонних каналів:

I = ,

де in - Струм через n-й канал.

Середнє значення I сумарного струму в разі однакових каналів визначається середнім струмом i в кожному каналі:

Відносна флуктуація струму в одиночному каналі велика:

При великих N відносні флуктуації є нікчемною. Для сукупності N = 1010 іонних каналів, розташованих на ділянці аксона кальмара, флуктуація струму становить 10-5 (0,001%) від середнього значення струму через мембрану, тобто флуктуації струму при вимірах в цьому випадку практично не помітні. Для маленьких клітин, в яких може бути близько 103 іонних каналів, відносні флуктуації більш істотні.

Токи одиночних До+-каналів мають амплітуду до 2 пА, а середній час відкритого стану ta ? 5 мс. Однак за цей час канал може кілька разів відкритися і закритися на короткий час, тобто можуть відбуватися осциляції струму. На відміну від натрієвих, К+-канали НЕ інактивуються, поки ?м вище порогового значення. Окремі канали під час деполяризації можуть відкриватися по кілька разів.

Токи одиночних Са2+-каналів кардіоміоцитів мають більш складний характер у порівнянні з Na+- І К+-Ток аксонів. Під час послідовних стрибків деполяризації в 70% випадків Са2+-канал відкривається на час ~ 1 мс; потім через кожні 0,2 мс він закривається і знову відкривається і пропускає струм з амплітудою імпульсу ? 1 пА. Такий процес активації Са2+-Ток триває близько 130 - 200 мс, а потім настає інактивація Са2+-Ток. У 30% стрибків деполяризації кальцієвий канал залишається закритим.

4. Залежність параметрів каналу від мембранного потенціалу Йонні канали нервових волокон чутливі до мембранного потенціалу, наприклад натрієвий і калієвий канали аксона кальмара. Це проявляється в тому, що після початку деполяризаціїмембрани відповідні струми починають змінюватися. Іон-селективний канал має сенсор - деякий елемент своєї конструкції, чутливий до дії електричного поля. При зміні мембранного потенціалу змінюється величина діючої на нього сили, в результаті ця частина іонного каналу переміщається і змінює ймовірність відкривання або закривання воріт - своєрідних заслінок, що діють за законом "все або нічого". Експериментально показано, що під дією деполяризаціїмембрани збільшується ймовірність переходу натрієвого каналу в провідний стан. Стрибок напруги на мембрані, призводить до того, що велика кількість каналів відкривається. Через них проходить більше зарядів, а значить, в середньому, протікає більший струм. Істотно, що процес зростання провідності каналу визначається збільшенням імовірності переходу каналу у відкритий стан, а не збільшенням діаметра відкритого каналу. Таке сучасне уявлення про механізм проходження струму через одиночний канал.

Плавні кінетичні криві струмів, що реєструються при електричних вимірюваннях на великих мембранах, виходять внаслідок сумації багатьох стрибкоподібних струмів, що протікають через окремі канали. Їх підсумовування, як показано вище, різко зменшує флуктуації і дає досить гладкі залежності трансмембранного струму від часу.

Іонні канали можуть бути чутливі і до інших фізичних дій: механічних деформацій, зв'язування хімічних речовин і т. Д. У цьому випадку вони є структурною основою, відповідно, механорецепторов, хеморецепторів і т. Д.

Вивчення іонних каналів в мембранах є одна з найважливіших завдань сучасної біофізики.




Основні функції біологічних мембран | Структура біологічних мембран | Фазові переходи ліпідів в мембранах | Тема: ТРАНСПОРТ РЕЧОВИН ЧЕРЕЗ БІОЛОГІЧНІ МЕМБРАНИ | Пасивний перенос речовин через мембрану | Активний транспорт речовин. досвід Уссінга | Електрогенних іонні насоси | Вторинний (зв'язаний) активний транспорт. | Ліпідні пори: стабільність і проникність мембран | Структура іонного каналу. |

© um.co.ua - учбові матеріали та реферати