Образовательная программа ннгу. Образовательнонаучный центр Информационнотелекоммуникационные системы физические основы и математическое обеспечение

Федеральное агентство по образованию
Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского
Национальный проект «Образование»
Инновационная образовательная программа ННГУ. Образовательно-научный центр
«Информационно-телекоммуникационные системы: физические основы и математическое обеспечение»
И.В. Мухина
Физиология и биофизика возбудимых систем
Учебно-методические материалы по программе повышения
квалификации «Хранение и обработка информации в биологических системах»
Нижний Новгород
2007

2
Учебно-методические материалы подготовлены в рамках
инновационной образовательной программы ННГУ: Образовательно-
научный центр «Информационно-телекоммуникационные
системы: физические основы и математическое обеспечение»
Мухина И.В. Физиология и биофизика возбудимых систем. Учебно-методический материал по программе повышения квалификации «Хранение и обработка информации в биологических системах». Нижний Новгород, 2007, 105 с.
Учебно-методические материалы включают разделы, посвященные обобщению и систематизации накопленных знаний по разделу «Физиология и биофизика возбудимых систем», а также разделы, посвященные краткому описанию новых технологий изучения биоэлектрической активности возбудимых тканей как способа передачи информации в биологических системах. В физиологии возбудимых тканей произошли наибольшие изменения за последние годы. Это объясняется, прежде всего, достижениями клеточной и молекулярной биологии, а также расширившимися возможностями экспериментальной электрофизиологии. В результате трудоемких исследований стали понятными многие закономерности функционирования отдельных структур на клеточном, субклеточном и молекулярном уровнях. Это позволило не только уточнить представления о механизмах работы отдельных клеток, но и объяснить ряд процессов, которые были известны ранее.
Пособие иллюстрировано схемами и рисунками, помогающими прочтению и пониманию материала. Предназначено для преподавателей и аспирантов физических и биологических специальностей университета.
© Мухина И.В.

3
ГЛАВА 1. РАЗДРАЖИМОСТЬ И ВОЗБУДИМОСТЬ
БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ
1.
1. Раздражимые системы
Организм животных и человека обладает высочайшей способностью приспосабливаться к постоянно меняющимся условиям внешней и внутренней среды. В основе приспособительных реакций организма лежит раздражимость, как универсальное свойство живой ткани. Раздражимость – способность живой материи активно отвечать на воздействие внешней и внутренней среды изменением обменных процессов. Например, ожог покровных тканей после воздействия горячего утюга, ускорение клеточного деления при действии факторов роста, стимуляция апоптоза и т.п. Раздражителем в том случае является любое изменение внешней или внутренней среды организма, воспринимаемое клетками и вызывающее ответную реакцию. Раздражимость характерна для всех биосистем (например, животные, растительные клетки) и является эволюционно наиболее древней формой реагирования недифференцированных тканей. В процессе эволюции произошла постепенная дифференцировка тканей. Раздражимость в некоторых специализированных тканях, таких как нервная, мышечная и секреторная, достигла наивысшего выражения и получила название возбудимость. Таким образом, возбудимость
– частное проявление раздражимости. Ткани, обладающие этим свойством, называются
возбудимыми. Возбудимость - способность специализированных тканей отвечать на раздражение быстрой деполяризацией мембраны, т.е. генерацией потенциала действия
(ПД). Возбудимостью обладают нервная, мышечная и железистая ткани. В основе возбуждения лежат сложные физико-химические процессы. Начальный пусковой момент возбуждения – быстрое изменение ионной проницаемости и электрических потенциалов мембраны. Таким образом, возбуждение – процесс, характеризующийся изменением обмена клетки в ответ на раздражение в виде временной деполяризации мембраны, т.е. генерации ПД. Любое возбуждение имеет ряд признаков. Неспецифические признаки имеются во всех тканях. Это изменение проницаемости клеточной мембраны, изменение движения ионов через клеточную мембрану, изменение заряда клеточной мембраны, изменение уровня обменных процессов, изменение потребления кислорода и выделения углекислого газа, изменение температуры ткани и т. д. Легче всего регистрируется изменение заряда клеточной мембраны в виде быстрого колебания мембранного потенциала или ПД. Таким образом, можно выделить следующие компоненты

4 возбуждения: химический; физико-химический (ионная проницаемость); физический
(электрические, термические, механические проявления); физиологический (изменение функциональных свойств, например, клетка может утратить возбудимость во время возбуждения).Следует отметить, что электрическое проявление возбуждения – наиболее значимый компонент возбуждения. Специфические признаки возбуждения характерны для определенного вида ткани. Так ответной реакцией нервной клетки является генерация и проведение нервного импульса, мышечной клетки – сокращение, секреторной – синтез и выделение биологически активного вещества.
1.2.
История открытия «животного электричества»
Первые данные о существовании биоэлектрических явлений («животное электричество») были получены в середине 18 века при изучении природы электрического разряда, наносимого некоторыми рыбами при защите (Адамсон, 1751). В конце 18 века
Луиджи (Алоизий) Гальвани (итальянский естествоиспытатель) изучал влияние атмосферного электричества на живые ткани (рис. 1).
Рис. 1. Лягушка, препарированная для опытов с электрофорной машиной и лейденской банкой (рисунок из трактата Гальвани).
В ряде экспериментов препараты задних лап лягушки на медных крючках были подвешены на железном заборе. Гальвани заметил, что еще до грозы при покачивании от ветра мышцы лапок сокращались при касании железных перекладин. На основании этих наблюдений Гальвани был сделан ошибочный вывод: в живой системе существует
«животное электричество», которое возникает в спинном мозге и передается по металлическим проводникам к мышцам, вызывая их сокращение. В настоящее время это

5 случайное наблюдение итальянского ученого называется первым опытом Гальвани.
Алессандро Вольта, друг Гальвани и ученый – физик, опроверг такое объяснение и доказал, что электрический ток возникает в месте контакта разнородных металлов (Cu и
Fe, или медь-цинк, медь-свинец, серебро-цинк) с электролитом, которым являются тканевые жидкости (раствор солей). В доказательство справедливости своей точки зрения
Гальвани предложил через два года другой опыт без использования металлов. Гальвани набрасывал на препарированную икроножную мышцу лягушки дистальный отрезок седалищного нерва, который иннервирует эту мышцу, в отсутствии каких либо металлов и проводников, чем действительно доказал существование «животного электричества».
Данный эксперимент называется вторым опытом Гальвани.
Многолетний научный спор (1791-97) между естествоиспытателем Л. Гальвани и физиком А. Вольта о природе «животного электричества» завершился двумя крупными открытиями: были получены факты, доказывающие существование биоэлектрических явлений в живых тканях и открыт новый принцип получения электрического тока с помощью разнородных металлов - создан гальванический элемент или вольтов столб (рис.
2).
А
Б
Рис. 2. А - Вольта демонстрирует перед Наполеоном свое изобретение - Вольтов столб.
Художник Дж. Бертини. 1801 год; Б - Вольтов столб, состоящий из металлических дисков, разделенных кружками мокрой ткани.
Правильная оценка наблюдений Гальвани стала возможной лишь после применения достаточно чувствительных электроизмерительных приборов - гальванометров.
Поврежденные и неповрежденные участки мышцы при снятии кожи лягушки оказались заряжены неодинаково. При набрасывании нерва (как проводника) между поврежденным и неповрежденным участками мышцы возникает ток, который раздражает нерв и через

6 нервно-мышечный синапс вызывает возбуждение мышцы и ее сокращение. Ток между поврежденным и неповрежденным участком был назван током покоя, или током повреждения. Позднее К. Маттеуччи с помощью гальванометра впервые определил, что поврежденный участок мембраны – заряжен «-», а неповрежденный – «+».
Окончательное доказательство существования электрических явлений в живых тканях было получено в опыте «вторичного тетануса» К. Маттеуччи (1811-1868), в котором один нервно-мышечный препарат возбуждался током, а биотоки сокращающейся мышцы (токи действия) раздражали нерв второго нервно-мышечного препарата, вызывая сокращение второй мышцы (рис. 3).
Рис. 3. Схема опыта, демонстрирующего вторичный тетанус Маттеуччи
Итак, к середине девятнадцатого века было определено, что биотоки возникают между поврежденным и неповрежденным участком (токи покоя) или между возбужденным и невозбужденным участком мембраны (токи действия). Систематическое изучение биопотенциалов было начато немецким физиологом Э. Дюбуа-Реймоном (1848).
Будучи студентом второго курса медицинской академии (1841) под руководством И.
Мюллера он сконструировал наиболее чувствительный гальванометр. Вместо циркуля с медным и цинковым концами стал использовать для электрической стимуляции живых тканей модифицированный им индукционный аппарат Румкорфа, который с тех пор называется катушкой Дюбуа-Реймона. Позднее, Дюбуа-Реймон создал в Берлинском университете физиологический институт, через который прошли почти все физиологи и врачи, интересовавшиеся электрофизиологией. Институт Дюбуа-Реймона стал местом рождения нового раздела физиологической науки – нервно-мышечной физиологии, которая потом стала называться физиологией возбудимых тканей и явилась зародышем важнейшего направления биофизики.
Именно
Дюбуа-Реймон ввел понятия
«возбуждение» и «возбудимые ткани». Но ему не удалось (в силу большой инерционности гальванометра) зарегистрировать быстрые, длящиеся тысячные доли секунды колебания биопотенциалов при проведении импульсов вдоль нервов и мышц. В 1886 немецкий физиолог Ю. Бернштейн проанализировал форму потенциала действия; французский учёный Э. Ж. Марей (1875) применил для записи колебаний потенциалов бьющегося

7 сердца капиллярный электрометр; русский физиолог Н. Е. Введенский использовал (1883) для прослушивания ритмических разрядов импульсов в нерве и мышце телефон, а голландский физиолог В. Эйнтховен (1903) ввёл в эксперимент и клиническую практику струнный гальванометр - высокочувствительный и малоинерционный прибор для регистрации электрических токов в тканях. Значительный вклад в изучение биопотенциалов внесли русские физиологи: В. В. Правдич-Неминский (1913-21) впервые зарегистрировал электроэнцефалограмму, А. Ф. Самойлов (1929) исследовал природу нервно-мышечной передачи возбуждения, а Д. С. Воронцов (1932) открыл следовые колебания биопотенциалов, сопровождающие потенциал действия в нервных волокнах.
Дальнейший прогресс в изучении биопотенциалов был тесно связан с успехами электроники, позволившими применить в физиологическом эксперименте электронные усилители и осциллографы (работы американских физиологов Г. Бишопа, Дж. Эрлангера и Г. Гассера в 30-40-х гг. 20в.).
Качественно новый этап в изучении электрических явлений в живых тканях наступил в середине 20 века в связи с разработкой точных методов регистрации электрических потенциалов. Важное значение для выяснения механизмов генерации биопотенциалов имело использование гигантских нервных волокон головоногих моллюсков, главным образом кальмара. Диаметр этих волокон в 50 - 100 раз больше, чем у позвоночных животных, он достигает 0,5-1 мм, что позволяет вводить внутрь волокна микроэлектроды, инъецировать в протоплазму различные вещества и т.п. Изучение ионной проницаемости мембраны гигантских нервных волокон позволило английским физиологам А. Ходжкину,
Э. Хаксли и Б. Катцу (1947-52) сформулировать современную мембранно-ионную теорию биоэлектрогенеза (Нобелевская премия, 1963).
Оказалось, что ток покоя, возникающий между поврежденным и неповрежденным участком мембраны, обусловлен трансмембранной разностью потенциалов между наружной и внешней мембраной, названной в последствие мембранным потенциалом
покоя (МПП). Мембранный потенциал покоя можно определить как
Е
m
= Е
i
- Е
o
, где Е
m
– мембранный потенциал,
Е
i
– потенциал на внутренней стороне мембраны,
Е
о
- потенциал на наружной стороне мембраны.
Поскольку потенциал снаружи можно принять за 0, то мембранный потенциал покоя равен Е
i
. Он отрицателен, так как внутренняя мембрана заряжена отрицательно по сравнению с наружной. Суть мембранно-ионной теории состоит в том, что мембранный

8 потенциал покоя возникает благодаря направленному движению заряженных частиц через мембрану клетки из внутриклеточной среды во внеклеточную, которыми в основном являются ионы К
+
. В возбудимых клетках потенциал покоя участвует в поддержании состояния готовности молекулярной структуры мембраны к возбуждению в ответ на действие раздражителя. Все воздействия на клетку, вызывающие длительное стойкое снижение потенциала покоя (например, нарушение обмена веществ, повышение внеклеточного содержания ионов К
+
, действие сильного электрического тока и т.д.), ведут к изменению возбудимости клетки или к полной утрате ею способности к генерации потенциалов действия. У живых возбудимых клеток в покое существует разность потенциалов порядка 60-90 мВ. Таким образом, именно клеточная мембрана является носителем электрического заряда. Чем это обусловлено? Прежде всего, следует рассмотреть структуру клеточной мембраны и транспорт веществ через клеточную мембрану возбудимых клеток.

9
ГЛАВА 2. ТРАНСПОРТ ВЕЩЕСТВ ЧЕРЕЗ МЕМБРАНУ
2.1.Строение мембраны
Термин "мембраны" как окружающей клетку невидимой плёнки, служащей барьером между содержимым клетки и внешней средой и одновременно - полупроницаемой перегородкой, через которую могут проходить вода и некоторые растворенные в ней вещества, был впервые использован, по-видимому, ботаниками фон Молем и независимо
К. фон Негели (1817-1891) в 1855 г для объяснения явлений плазмолиза. В 1877 г. ботаник
В. Пфеффер (1845-1920) опубликовал свой труд “Исследования осмоса” (Leipzig), где постулировал существование клеточных мембран, основываясь на сходстве между клетками и осмометрами, имеющими искусственные полупроницаемые мембраны, которые были приготовлены незадолго до этого М. Траубе. Дальнейшее изучение осмотических явлений в растительных клетках датским ботаником Х. де Фризом (1848-
1935) послужило фундаментом при создании физико-химических теорий осмотического давления и электролитической диссоциации датчанином Я. Вант-Гоффом (1852-1911) и шедским ученым С. Аррениусом (1859-1927). В 1888 году немецкий физико-химик В.
Нернст (1864-1941) вывел уравнение диффузионного потенциала. В 1890 году немецкий физико-химик и философ В. Оствальд (1853-1932) обратил внимание на возможную роль мембран в биоэлектрических процессах. Между 1895 и 1902 годами Э. Овертон (1865-
1933) измерил проницаемость клеточной мембраны для большого числа соединений и показал прямую зависимость между способностью этих соединений проникать через мембраны и их растворимостью в липидах. Это было чётким указанием на то, что именно липиды формируют плёнку, через которую проходят в клетку вещества из окружающего раствора. В 1902 году Ю. Бернштейн (1839-1917) привлек для объяснения электрических свойств живых клеток мембранную гипотезу.
В 1925 году Э. Гортер и Ф. Грендел показали, что площадь монослоя липидов, экстрагированных из мембран эритроцитов, в два раза больше суммарной площади эритроцитов. Э. Гортер и Ф. Грендел экстрагировали липиды из гемолизированных эритроцитов ацетоном, затем выпаривали раствор на поверхности воды и измеряли площадь образовавшейся мономолекулярной пленки липидов. На основе результатов этих исследований было сделано предположение, что липиды в мембране располагаются в виде бимолекулярного слоя. Поверхностное натяжение клеточной мембраны (0,1 мн/м, или дин/см) меньше натяжения слоя чистого липида (10 мн/м, или дин/см) и близко к

10 поверхностному натяжению белков. Поэтому было предположено, что в биологических мембранах бимолекулярный липидный слой покрыт с двух сторон слоями белка
(структура «сэндвича»). Изучение клеточной поверхности с помощью поляризационного микроскопа позволило предположить, что молекулы липидов расположены перпендикулярно, а молекулы белка — параллельно клеточной поверхности. Методом электропроводности удалось измерить электрическую ёмкость клеточной мембраны, равную 1 мкф/см
2
, электрическое сопротивление, порядка 10 7
Ом·м
2
и рассчитать толщину её липидного слоя, которая оказалась равной 55 Å .
На основе всех этих данных английские биологи Л. Даниелли и Г. Даусон в 1935 предложили “бутербродную” модель строения биологических мембран, которая с некоторыми несущественными изменениями продержалась в мембранологии в течение почти 40 лет. Согласно этой модели, на поверхности фосфолипидного бислоя в мембранах располагаются белки.
Рис. 4. Мембраны двух соседних нервных клеток (электронная микроскопия, ув. х400 000).
Каждая мембрана имеет толщину 75 Å и видна в виде двух тёмных полос, разделённых более светлой полосой, толщиной 35 Å . Щель между клетками достигает 150 Å . Две тёмные полосы соответствуют белковому слою модели Даниелли и Даусона, а светлая полоса между ними — липидному слою
Огромную роль в развитии представлений о строении биологических мембран сыграли такие методы визуализации, как рентгеноструктурный анализ, основанный на дифракции коротковолновых рентгеновских лучей на атомах, электронно- микроскопический анализ, флюоресцентный метод, электронный парамагнитный резонанс и ядерный магнитный резонанс.
В настоящее время общепринятой моделью строения мембран является жидкостно- мозаичная, предложенная в 1972 году С. Синджером и Дж.Николсоном (рис. 5). Согласно современным представлениям, все клеточные и внутриклеточные мембраны устроены сходным образом: основу мембраны составляет двойной молекулярный слой липидов
(липидный бислой) на котором и в толще которого находятся белки. Согласно жидкостно-

11 мозаичной модели слой липидов является прерывистым, белки клеточной мембраны подвижны и свободно плавают в липидном геле. Эти белковые молекулы по-разному погружены в мембрану. Но всегда сохраняют контакт с окружающей средой с помощью полярной группы.
Multiple membrane spanning integral protein
Рис. 5. Схема строения клеточной мембраны (S. Silbernagl, 2002).
На внутренней поверхности мембраны белков больше, чем на наружной поверхности.
Современные данные, полученные методом рентгеноструктурного анализа, показали, что цепи мембранных белков сворачиваются таким образом, что спиральные и структурные участки оказываются погруженными в гидрофобную область мембраны; находящиеся вне мембраны части молекулы образованы преимущественно неупорядоченными структурами.
Липидный бислой образуется амфифильными молекулами фосфолипидов и сфингомиелина в водной фазе (рис. 6). Амфифильными эти молекулы называют потому, что они состоят из двух частей, различных по своей растворимости в воде:
•
полярной “головки”, обладающей высоким сродством к воде, т. е. гидрофильной,

12
•
“хвоста” образуемого неполярными углеводородными цепями жирных кислот; эта часть молекулы обладает низким сродством к воде, т. е. гидрофобна.
Phospholipid Membrane lipids
(phosphatidylcholine)
Рис. 6. Структура липидной молекулы клеточной мембраны (S. Silbernagl, 2002).
Липидный бислой включает (табл. 1): фосфолипиды: фосфатидилхолин (лецитин), фосфатидилэтаноламин, фосфатидилсерин, фосфатидилинозит, кардиолипин; сфингомиелин; холестерол; гликолипиды.
Таблица 1
Содержание фосфолипидов и сфингомиелина в мозгу и почках человека (Котык А. и
Яначек К., 1980)
Фосфолипиды
Мозг
Почки
Фосфатидилхолин
29,2 37,9
Фосфатидилэтаноламин
35,0 30,8
Фосфатидилсерин
17,6 7,0
Фосфатидилинозитол
2,2 6,1
Кардиолипин
0,4 4,2
Фосфатидиловая кислота
0,5 0,6
Сфингомиелин
13,6 12,8
Подвижность мембранных молекул в значительной мере зависит от состава жирных кислот. Более упорядоченной и стабильной является структура мембран, содержащая большое число насыщенных жирных кислот в фосфолипидах, менее упорядоченной – содержащая значительные количества ненасыщенных жирных кислот. При оптимальных для жизнедеятельности живых организмов температурах мембрана, как правило, имеет

13 жидкокристаллическое состояние (промежуточное между жидким и твердым). Это состояние обусловлено, прежде всего, наличием в мембранах системы липид – белок – вода, формирующей различного типа упорядоченные структуры, обладающие в то же время определенной подвижностью. Такое состояние мембран оказывает существенное влияние на их функционирование и объясняет большую чувствительность к различным внешним факторам.
Мембранные белки согласно их морфофункциональной классификации подразделяются на:
•
Интегральные (образуют каналы, переносчики, насосы, рецепторы). Интегральные белки имеют обширные гидрофобные участки на поверхности и нерастворимы в воде. С липидами мембран они связаны гидрофобными взаимодействиями и частично погружены в толщу липидного бислоя, а зачастую и пронизывают бислой, оставляя на поверхности сравнительно небольшие гидрофильные участки. Отделить эти белки от мембраны удается только с помощью детергентов, типа додецилсульфата или солей желчных кислот, которые разрушают липидный слой и переводят белок в растворимую форму
(солюбилизируют его), образуя с ним ассоциаты. Все дальнейшие операции по очистке интегральных белков осуществляются также в присутствии детергентов;
•
Периферические (формируют цитоскелет, гликокаликс). Периферические белки связаны с поверхностью липидного бислоя электростатическими силами и могут быть отмыты от мембраны солевыми растворами.
Соседние клетки одной возбудимой ткани сообщаются друг с другом для того, чтобы координировать свою жизнедеятельность и функционировать как целое в соответствии со спецификой ткани. Такое сообщение достигается с помощью синапсов и специальных коротких «трубочек», которые собраны в дискообразные структуры в местах щелевых контактов или нексусов.
Синапс - специализированный межклеточный контакт, обеспечивает передачу сигналов с одной клетки на другую.
Электрические синапсы морфологически представляют собой слияние, или сближение, участков мембран. В последнем случае синаптическая щель не сплошная, а прерывается мостиками полного контакта. Эти мостики образуют повторяющуюся ячеистую структуру синапса, причем ячейки ограничены участками сближенных мембран, расстояние между которыми в синапсах млекопитающих 0,15—0,20 нм. В участках слияния мембран находятся каналы, через которые клетки могут обмениваться некоторыми продуктами. Кроме описанных ячеистых синапсов, среди электрических

14 синапсов различают другие — в форме сплошной щели; площадь каждого из них достигает 1000 мкм, как, например, между нейронами ресничного ганглия. Электрические синапсы обладают односторонним проведением возбуждения. Функции электрических синапсов заключаются, прежде всего, в обеспечении срочных реакций организма. Этим, видимо, объясняется расположение их у животных в структурах, обеспечивающих реакцию бегства, спасения от опасности и т. д. Электрический синапс сравнительно мало утомляем, устойчив к изменениям внешней и внутренней среды. Видимо, эти качества наряду с быстродействием обеспечивают высокую надежность его работы.
В химическом синапсе сигнальной молекулой является нейромедиатор или нейротрансмиттер (рис. 7, 8).Синапсы формируют только клетки возбудимых тканей
(нервные клетки между собой, нервные клетки и мышечные волокна). В синапсе различают пресинаптическую часть
(содержит синаптические пузырьки с нейромедиатором, пресинаптическую мембрану и митохондрии), постсинаптическую часть (представлена постсинаптической мембраной с рецепторами для нейромедиаторов, также содержит митохондрии) и расположенную между клетками синаптическую щель
(промежуток между пре- и постсинаптическими мембранами шириной 20-35 нм). В синаптическую щель из синаптических пузырьков выделяется нейромедиатор.
Рис. 7. Электроннограмма химического аксо-соматического синапса. Az – активная зона, psd – постсинаптическое уплотнение, gl – астроцит, N – ядро нейрона.
В покое медиатор попадает в синаптическую щель постоянно, но в малом количестве. Под влиянием пришедшего возбуждения количество медиатора резко возрастает. Для синапсов с химическим способом передачи возбуждения характерны синаптическая задержка проведения возбуждения, длящаяся около 0,5 мс, и развитие постсинаптического потенциала (ПСП) в ответ на пресинаптический импульс. Этот
Az
psd
gl
N

15 потенциал при возбуждении проявляется в деполяризации постсинаптической мембраны и возникновении возбуждающего постсинаптического потенциала (ВПСП), а при торможении — в гиперполяризации ее, в результате чего развивается тормозной постсинаптический потенциал
(ТПСП).
При возбуждении проводимость постсинаптической мембраны увеличивается. Величина ВПСП зависит от количества выделившегося медиатора и может составлять 0,12—5,0 мВ. Под влиянием ВПСП электротонически деполяризуются соседние с синапсом участки мембраны, затем деполяризация достигает аксонного холмика нейрона, где возникает возбуждение, распространяющееся на аксон. ВПСП возникает в нейронах при действии в синапсах ацетил холина, норадреналина, дофамина, серотонина, глутаминовой кислоты, вещества Р и др. ТПСП возникает при действии в синапсах глицина, гамма-аминомасляной кислоты.
ТПСП может развиваться и под действием медиаторов, вызывающих ВПСП, но в этих случаях медиатор вызывает переход постсинаптической мембраны в состояние гиперполяризации. В формировании и модуляции работы синапса принимают участие активные вещества, выделяющиеся из пресинаптического окончания, а также различные активные вещества из отростков астрогли, клетки которой тесно граничат с синаптическим контактом (рис. 7, 8). Кроме того, доказано, что нейроглиальные взаимоотношения могут носить и характер электрического сопряжения.
Рис. 8. Схема химического синапса. Narp – секретируемая молекула, которая при связывании с АМРА- рецепторами, может инициировать образование их кластеров, Wnt участвует в пресинаптической дифференцировке. Глиальная клетка выделяет холестерин, который необходим для стабилизации синапсов, фактор некроза опухоли TNF-α,, который повышает синаптическую эффективность, усиливая экспрессию постсинаптических АМРА-рецепторов (Li Z., Sheng M., 2003)

16
Нервно-мышечные синапсы обеспечивают проведение возбуждения с нервного волокна на мышечное благодаря медиатору ацетилхолину, который при возбуждении нервного окончания переходит в синаптическую щель и действует на концевую пластинку мышечного волокна. Следовательно, как и межнейронный синапс, нервно-мышечный синапс имеет пресинаптическую часть, принадлежащую нервному окончанию, синаптическую щель, постсинаптическую часть (концевая пластинка), принадлежащую мышечному волокну (рис. 9). Рецепторы, возбуждаясь, открывают белковый канал, встроенный в липидный слой мембраны. Через открытый канал внутрь мышечной клетки проникают ионы Na
+
, что приводит к деполяризации мембраны мышечной клетки, в результате развивается так называемый потенциал концевой пластинки (ПКП). Он вызывает генерацию потенциала действия мышечного волокна.
Рис. 9. Нервно-мышечное соединение. А – электронная микроскопия; В – схема строения нервно-мышечного соединения. Mit – митохондрия, SV – синаптическая везикула, AZ – активная зона, AChRs - ацетилхолиновые рецепторы
(Jaworski A, Burden SJ
, 2006).
Нексус. Каждая трубочка (коннексон) состоит из цилиндрических белковых молекул – коннексинов (рис. 10). Молекула – коннексина частично погружена в клеточную мембрану, а ее выступающая часть способна связываться в межклеточном пространстве с коннексоном соседней клетки, так что образуется непрерывный канал, соединяющий внутреннее пространство двух клеток. При определенных конформационных изменениях белков канал открывается или закрывается, либо активируя, либо прекращая передачу информации между клетками через щелевые контакты. Канал коннексона диаметром 1,5 нм пропускает ионы и молекулы с молекулярной массой до 1,5 кД.
А

17
Рис. 10. Строение нексуса. Электронная микроскопия участка мембраны со щелевым контактом (S. Silbernagl, 2002: фото: H.lodish. reproduced with permission from Scientific American
Books, New York, 1995) и схема работы каналов щелевых контактов
Щелевой контакт контролирует проницаемость между взаимодействующими клетками. В некоторых клетках (например, глиальные) подобный механизм имеет важное значение в регуляции уровня внутриклеточного Са
2+
. Через щелевые контакты проходят низкомолекулярные вещества, регулирующие рост и развитие клеток. Щелевые контакты обеспечивают распространение возбуждения — переход ионов между мышечными клетками миокарда и гладкомышечными клетками. Коннексины - нестабильные белки, живущие несколько часов. Имеется 20 различных коннексинов у мыши и 21 у человека.
Многие клетки образуют несколько видов коннексинов, которые способны полимеризоваться в различных комбинациях.
Различные типы коннексинов человека и мыши: человек
Cx23 Cx25 Cx26 Cx30.2 Cx30 Cx31.9 Cx30.3 Cx31 Cx31.1 Cx32 Cx36
Cx37 Cx40.1 Cx40 Cx59 Cx43 Cx45 Cx46 Cx47 Cx50 Cx62 мышь Cx23 Cx26 Cx29 Cx30 Cx30.2 Cx30.3 Cx31 Cx31.1 Cx32 Cx33 Cx36 Cx37
Cx39 Cx40 Cx43 Cx45 Cx46 Cx47 Cx50 Cx57

18
Объединение шести коннексинов двух типов может образовывать 14 вариантов коннексонов, из которых может образоваться до196 различных вариантов каналов!
Коннексины - политопные интегральные мембранные белки 4 раза пересекающие мембрану, имеющие две внеклеточные петли (EL-1 и EL-2), цитоплазматическую петлю
(CL) с N-концом (AT) и C-концом (CT), вдающимися в цитоплазму. Белки, взаимодействующие с коннексонами Cx43: v-, c-src киназы, киназа С, MAP киназа, Cdc2 киназа, казеин киназа 1, киназа A, ZO-2, ZO-1, β-катенин, дребрин, α-, β-тубулин, кавеолин-1, NOV, CIP85. Киназы, фосфорилирующие коннексины и меняющие их свойства, могут регулировать работу канала. Тубулины (белки микротрубочек), могут способствовать транспорту различных веществ вдоль микротрубочек непосредственно к каналу. Белок дребрин взаимодействует с коннексинами и с микрофиламентами, что указывает на взаимосвязь каналов и организации цитоскелета клетки.
Коннексоны могут закрываться при действии тока, изменения pH, напряжения мембраны, Ca
2+
2.2. Типы транспорта веществ через мембрану
Различают несколько типов транспорта веществ через мембрану: диффузия, осмос, активный транспорт, везикулярный транспорт. В свою очередь каждый из этих типов подразделяется на несколько подтипов.
Диффузия
Различают простую и облегченную диффузию.
Простая диффузия - пассивный процесс движения частиц в растворе согласно их концентрационному градиенту из области высокой концентрации в область низкой концентрации. Проницаемость веществ путем диффузии через мембрану зависит от свойств мембраны и самих растворенных веществ:
- Липидрастворимые вещества диффундируют легко через липидный бислой (этанол, кислород, углекислый газ);
- Водорастворимые вещества (ионы с гидратной оболочкой) диффундируют через водные каналы, формируемые специальными трансмембранными белками транслоказами.
Проницаемость ионов через канал пропорциональна их молекулярному размеру, форме, заряду (рис. 11).
Облегченная диффузия – пассивный перенос веществ с помощью специальных белков-переносчиков по концентрационному градиенту. К ним относятся ферменты транслоказы и пермиазы.

19
Рис. 11. Схематическое строение типичного ионного канала.
Они связывают своим активным центром вещество с одной стороны мембраны и переносят его сквозь гидрофобный слой мембраны на ее другую поверхность. Еще один вариант такой диффузии: после присоединения транспортируемого вещества меняется конформация белка-переносчика и в мембране открывается специальный гидрофильный канал, по которому и проникает вещество. Подчиняется кинетике Михаэлиса-Ментена, согласно которой насыщение переносчика веществом ограничивает диффузию (рис. 12).
Например, белок-переносчик инсулинзависимая пермиаза для глюкозы.
Специфичность пермеазы проявляется уже в том, что L-изомер почти не транспортируется в эритроциты в отличие от D-галактозы и D-маннозы, но для достижения полунасыщения транспортной системы требуются более высокие их концентрации. Оказавшись внутри клетки, глюкоза подвергается фосфорилированию и более не способна покинуть клетку. Пермеазу для глюкозы называют также D-гексозной пермеазой. Она представляет собой интегральный мембранный белок с молекулярной массой 45кД.
Конкретный механизм функционирования переносчиков при облегченной диффузии исследован недостаточно. Они могут, например, обеспечивать перенос путем вращательного движения в мембране. В последнее время появились сведения, что белки- переносчики при контакте с транспортируемым веществом изменяют свою конформацию, в результате в мембране открываются своеобразные «ворота», или каналы.

20
Рис. 12. Пассивная диффузия веществ через клеточную мембрану.
D – Кривая проницаемость мембраны для различных веществ в зависимости от коэффициента растворимости в липидах и воде; Е – кривые зависимости транспорта веществ от их концентрации; F – схема диффузии молекул через липидный бислой; G – схема облегченной диффузии веществ через клеточную мембрану (S. Silbernagl, 2002)
Эти изменения происходят за счет энергии, высвобождающейся при связывании транспортируемого вещества с белком. Возможен также перенос эстафетного типа. В этом случае сам переносчик остается неподвижным, а ионы мигрируют вдоль него от одной гидрофильной связи к другой. Моделью переносчика такого типа может служить антибиотик грамицидин. В липидном слое мембраны его длинная линейная молекула принимает форму спирали и образует гидрофильный канал, по которому может мигрировать по градиенту ион К
+

21
Осмос
Осмос – пассивное движение воды через полупроницаемую мембрану по градиенту осмотического давления. Сила, которая определяет движение растворителя, называется осмотическим давлением (рис. 13). Осмотическое давление обусловлено количеством растворенных в воде частиц. Движение воды осуществляется из области с низкой концентрацией частиц в область с высокой концентрацией частиц. Часть осмотического давления, которую создают белки, называют онкотическим давлением. В плазме крови: осмотическое давление – 5600 мм рт.ст., онкотическое – 25-30 мм рт.ст.
Рис. 13. Схема движения молекул воды через клеточную мембрану согласно осмотическому градиенту (S. Silbernagl, 2002)
Активный транспорт
Активный транспорт подразделяется на первично активный и вторично активный.
Первично активный транспорт обеспечивается наличием специальных белковых комплексов, именуемых насосами или помпами, и использованием энергии АТФ
(транспортные АТФазы - Na, K – АТФаза, К, Н – АТФаза, Са – АТФаза и др.). Функция первично активного транспорта – поддержание постоянства ионного состава, которое осуществляется благодаря транспорту веществ против градиента концентрации. Сам фермент АТФаза представляет собой олигомер, состоящий из 2-х α-субъединиц по 110 кД и 2 гликопротеиновых β-субъдиниц по 55 кД каждая (рис. 14).
При гидролизе АТФ происходит обратимое фосфорилирование определенного остатка аспартата на α -субъединице с образованием β-аспартамилфосфата.

22
Рис. 14. Схематичное строение транспортной Na, K – АТФазы клеточной мембраны (S.
Silbernagl, 2002). Описание в тексте.
Для фосфорилирования необходимы Na
+
и Мg
2+
, но не K
+
, тогда как для дефосфорилирования необходим K
+
, но не Na
+
или Мg
2+
. Описаны два конформационных состояния белкового комплекса с различным энергетическим уровнем, которые принято обозначать Е1 и Е2, поэтому АТФазу называют также переносчиком типа Е1 - Е2 .
Сердечные гликозиды, например дигоксин и уабаин, подавляют активность АТФазы.
Уабаин вследствие хорошей растворимости в воде широко применяют в экспериментальных исследованиях для изучения натриевого насоса.
Общепринятое представление о работе одной из транспортных АТФаз - Na
+
/K
+
-
АТФазы, сводится к следующему (рис. 15). Ионы Na
+
и АТФ присоединяются к молекуле
АТФазы в присутствии Мg
2+
. Связывание ионов Na
+
запускает реакцию гидролиза АТФ, в результате которой образуются АДФ и фосфорилированная форма фермента.
Фосфорилирование индуцирует переход ферментативного белка в новое конформационное состояние и участок или участки, несущие Na
+
, оказываются обращенными к внешней среде. Здесь Na
+ обменивается на K
+
, так как для фосфорилированной формы фермента характерно высокое сродство к ионам К
+
Обратный переход фермента в исходную конформацию инициируется гидролитическим отщеплением фосфорильной группы в виде неорганического фосфата и сопровождается освобождением
K
+
во внутреннее пространство клетки.
Дефосфорилированный активный центр фермента способен присоединить новую молекулу АТФ, и цикл повторяется. Количества поступивших в клетку в результате работы насоса ионов К
+
и Na
+
не равны между собой.

23
Рис. 15. Схема переноса 3-х ионов Na
+ и 2 ионов K
+
против их градиента концентрации с помощью транспортной Na, K – АТФазы (S. Silbernagl, 2002 по P.Lauqer).
На три выведенных иона Na
+
приходится два введенных иона К
+
при одновременном гидролизе одной молекулы АТФ. Открывание и закрывание канала на противоположных сторонах мембраны и чередующееся изменение эффективности связывания Na
+
и К
+
обеспечиваются энергией гидролиза АТФ. Транспортируемые ионы – Na
+
и К
+
- кофакторы данной ферментативной реакции. Теоретически можно представить самые различные насосы, действующие по этому принципу, хотя в настоящее время известны лишь немногие из них.
Вторично активный транспорт - обеспечивает транспорт веществ (углеводов и аминокислот, кальция) белками-переносчиками против концентрационного градиента за счет энергии транспорта Na
+
по концентрационному градиенту. Поддержание концентрационного градиента для Na
+ обеспечивается Na, K – АТФазой. При этом перенос натрия против градиента концентрации требует затраты энергии, поэтому транспорт и называется вторично активный. Некоторые белки функционируют как котранспортные системы, в которых перенос одного растворенного вещества зависит от одновременного или последовательного переноса другого вещества либо в том же

24 направлении, либо в противоположном, например транспорт некоторых пептидов (рис.
16).
Рис. 16. Примеры использования электрохимического градиента Na для вторично активного транспорта веществ через мембрану. 1 – котранспорт глюкозы; 2 - котранспорт ионов хлора; 3 - котранспорт аминокислот; 4 – антипорт ионов водорода и 5 – транспорта пептидов за счет энергии транспорта ионов натрия и водорода (S. Silbernagl, 2002).
Вторично-активный транспорт может быть однонаправленным (симпорт), либо разнонаправленным (антипорт). Энергия ионных насосов не всегда используется в том участке плазматической мембраны, через который осуществляется сопряженный транспорт. Например, симпорт натрия и глюкозы в клетку: 1 молекула натрия и 1 молекула глюкозы (реабсорбция в проксимальном канальце нефрона и абсорбция в энтероците). Мембранный транспортный белок переносит молекулу глюкозы в клетку против градиента концентрации за счет энергии, образующейся при входе 1 Na
+
по градиенту концентрации, в то же время Na
+
движется по градиенту концентрации, поддерживаемому за счет Na,К-АТФазы. Такой транспорт полностью зависит от существования высокого градиента Na
+
. Если его внеклеточная концентрация существенно падает, то транспорт сахаров прекращается. Для различных сахаров
1
2

25 существуют разные симпортные системы. Существует около 5 различных систем симпорта и для аминокислот, каждая из которых специализирована для какой-либо одной группы родственных аминокислот. Антипорт – противоположно направленный транспорт веществ через мембрану. Например, за один цикл переносится один ион кальция из клетки в обмен на три входящие иона натрия (кардиомиоциты). Энергия для транспорта Са
2+ используется за счет энергии, образующейся при входе 3 Na
+
по градиенту концентрации, поддерживаемому за счет Na,К-АТФазы.
Везикулярный транспорт через мембрану
Клетки способны поглощать макромолекулы и частицы. Поглощенное вещество постепенно окружается небольшим участком плазматической мембраны, который сначала впячивается, а затем отщепляется, образуя внутриклеточный пузырек , содержащий захваченный клеткой материал. Такой процесс образования внутриклеточных пузырьков вокруг поглощенного клеткой материала называется эндоцитозом. В зависимости от размера образующихся пузырьков различают два типа эндоцитоза:
1) Пиноцитоз - поглощение жидкости и растворенных веществ с помощью небольших пузырьков,
2) фагоцитоз - поглощение больших частиц, таких, как микроорганизмы или обломки клеток. В этом случае образуются крупные пузырьки, называемые вакуолями и поглощение корпускулярного материала: бактерий, крупных вирусов, отмирающих собственных клеток организма или чужеродных клеток, таких, например, как эритроциты различных видов осуществляется клетками ( макрофагами , нейтрофилами ).
Жидкость и растворенные вещества непрерывно поглощаются большинством клеток посредством пиноцитоза, тогда как большие частицы поглощаются главным образом специализированными клетками - фагоцитами. Поэтому термины "пиноцитоз" и "эндоцитоз" обычно употребляются в одном и том же смысле. Пиноцитоз характеризуется поглощением и внутриклеточным разрушением макромолекулярных соединений, таких как белки и белковые комплексы, нуклеиновые кислоты, полисахариды, липопротеины.
Объектом пиноцитоза как фактора неспецифической иммунной защиты являются, в частности, токсины микроорганизмов. На рис. 17 показаны последовательные этапы захвата и внутриклеточного переваривания находящихся в экстрацеллюлярном пространстве растворимых макромолекул (эндоцитоз макромолекул фагоцитами). Адгезия таких молекул на клетке может осуществляться двумя способами: неспецифическим - в результате случайной встречи молекул с клеткой, и специфическим, который зависит от предсуществующих рецепторов на поверхности пиноцитирующей клетки. В последнем

26 случае внеклеточные вещества выступают в качестве лигандов, взаимодействующих с соответствующими рецепторами. Адгезия веществ на клеточной поверхности приводит к локальной инвагинации (впячиванию) мембраны, завершающейся образованием пиноцитарного пузырька очень небольшого размера (приблизительно 0,1 микрона).
Несколько слившихся пузырьков формируют более крупное образование - пиносому. На следующем этапе пиносомы сливаются с лизосомами, содержащими гидролитические ферменты, которые разрушают полимерные молекулы до мономеров. В тех случаях, когда процесс пиноцитоза реализуется через рецепторный аппарат, в пиносомах до слияния с лизосомами наблюдается отсоединение захваченных молекул от рецепторов, которые в составе дочерних пузырьков возвращаются на клеточную поверхность.
Рис. 17. Рецептор-зависимый эндоцитоз (S. Silbernagl, 2002)
Как эндоцитоз лиганд-рецепторного комплекса с поверхности плазматической мембраны, так и транспорт вновь синтезируемых секреторных белков из эндоплазматического ретикулума через цис-, медиал-, транс- Гольджи к поверхности плазматической мембраны осуществляются в везикулах. Транспортные везикулы формируются и отпочковываются от донорной мембраны и после осуществления раунда внутриклеточного транспорта сливаются с акцепторной мембраной. Специализированные белки цитоплазмы покрывают вновь образованные везикулы. Согласно современным представлениям, формирование транспортной везикулы на мембране внутриклеточного компартмента начинается после взаимодействия белков, переносимых везикулой, с трансмембранным рецептором. Например, холестерин и железо поступают в клетку путем опосредованного рецептором эндоцитоза. Изменение структурного состояния

27 связанного рецептора может распознаваться цитоплазматическими белками, которые ассоциируются с мембраной и инициируют образование транспортной везикулы.
Экзоцитоз – слияние внутриклеточных пузырьков с плазматической мембраной и выделение веществ из клетки. Например, синтез и выделение гормонов, нейротрансмиттеров, пищеварительных ферментов (рис. 18).
Рис. 18. Механизм формирования мембранных везикул при экзоцитозе (S. Silbernagl, 2002).
В эукариотических клетках секреция макромолекул почти всегда происходит за счет экзоцитоза. Одни секретируемые молекулы адсорбируются на поверхности клетки и становятся частью клеточной оболочки, другие включаются в межклеточный матрикс, третьи попадают в интерстициальную жидкость или кровь , где они служат для других клеток в качестве питательных веществ или каких-то сигналов. Секретируемые белки синтезируются на рибосомах, связанных с мембранами шероховатого эндоплазматического ретикулума (ЭР). Эти белки проходят в полость ЭР и транспортируются к комплексу Гольджи с помощью отпочковавшихся от ЭР транспортных пузырьков.
В комплексе
Гольджи белки модифицируются, концентрируются, сортируются и затем упаковываются в пузырьки, которые отщепляются от аппарата Гольджи и сливаются с плазматической мембраной. В отличие от транспорта макромолекул, секретируемые молекулы малых размеров активно транспортируются в уже сформированные секреторные пузырьки. Этот процесс часто приводится в действие ионным градиентом. Небольшие молекулы зачастую связываются со специфическими макромолекулами внутри пузырьков и в результате могут накапливаться в высокой

28 концентрации, не создавая при этом чрезмерного осмотического градиента. Одни вещества непрерывно секретируются производящими их клетками, тогда как другие запасаются в секреторных пузырьках и высвобождаются только после получения клеткой соответствующего сигнала извне. Этот сигнал к секреции часто представляет собой химический медиатор, например гормон, связывающийся с рецепторами на поверхности клетки. В результате происходит активация рецепторов, которая вызывает обычно кратковременное повышение концентрации свободного кальция в цитозоле. Последнее инициирует процесс экзоцитоза, побуждая секреторные пузырьки к слиянию с плазматической мембраной и, таким образом, высвобождая их содержимое во внеклеточное пространство. Мембраны секреторных пузырьков объединяются с плазматической мембраной и в дальнейшем посредством эндоцитоза возвращаются в первоначальное состояние.

29

  1   2   3   4   5   6   7