Механизмы проницаемости биологических мембран. Строение и функции ионных каналов и переносчиков. Механизмы электрогенеза

5.Биологический электрогенез

Под биологическим электрогенезом, или биоэлектрогенезом, понимают комплекс механизмов, приводящих к генерации биоэлектрических потенциалов. Основы современной мембранной концепции биоэлектрогенеза были заложены, главным образом, Ходжкиным и сотрудниками . В основе этой концепции лежат следующие главные положения:

1. Местом электрогенеза является поверхностная мембрана (на внутриклеточных мембранах тоже могут возникать разности электрических потенциалов, но электрические свойства клетки определяются преимущественно электрогенезом на поверхностной мембране).

2. Разность потенциалов на поверхностной мембране имеет ионную природу (а не электронную, как в металлах).

3. Генерация разностей  потенциалов на поверхностной  мембране обусловлена возникновением  ионной асимметрии, то есть неодинаковым  распределением по обе ее стороны  катионов и анионов.

Основной вопрос в происхождении БЭП - это вопрос о том, как возникает ионная асимметрия на поверхностной мембране. По современным представлениям, здесь действуют активный и пассивный механизмы. Пассивный механизм  работает без затрат энергии. В его основе лежат два фактора: 1) разница концентраций ионов по обе стороны мембраны; 2) разная проницаемость мембраны для разных ионов. Оба фактора приводят к тому, что некоторые ионы, двигаясь по градиенту концентрации наружу или внутрь клетки, лучше проникают через мембрану, а другие хуже. Наиболее легко проникает через мембрану в покое К+. Поскольку его концентрация обычно больше внутри клетки, чем снаружи, то он выходит по градиенту концентрации из клетки и заряжает наружную сторону мембраны положительно. Соответственно, внутренняя сторона мембраны оказывается заряженной отрицательно. Так как другие ионы, хотя и в меньшей степени, также могут проникать через мембрану, то возникающий мембранный потенциал будет по своей величине меньше того, который создавался бы только выходом К+, то есть равновесного калиевого потенциала. Например, в излюбленном объекте электрофизиологов - аксоне кальмара - мембранный потенциал, рассчитанный исходя из разности концентраций К+ по обе стороны мембраны, составляет около -90 мВ (внутреннее содержимое заряжено отрицательно), а измеренный потенциал оказался близким к - 60 мВ. Это связано с тем, что мембрана аксона проницаема не только для ионов К, но и в определенной степени для других катионов и анионов.

Кроме пассивного, генерация разности потенциалов на мембране связана также с активным механизмом. Последний работает с потреблением энергии и связан с работой особых ферментов - транспортных аденозинтрифосфатаз. Они представляют своего рода молекулярные машины, обладающие удивительными свойствами. Гидролизуя АТФ, эти ферменты одновременно используют освобождающуюся энергию для переноса ионов через мембрану. В результате такого транспорта и создается активная компонента мембранного потенциала. Не менее интересен и тот факт, что, несмотря на огромное разнообразие живых объектов, они имеют, в основном, две электрогенные транспортные АТФазы - Na+, K+-АТФазу (преимущественно у животных) и H+-АТФазу (у грибов и растений). Первая выкачивает из клетки 3Na+ и одновременно закачивает 2K+, вторая выкачивает из клетки H+. Нетрудно видеть, что работа этих ферментов приводит к зарядке мембраны, а именно созданию активной компоненты мембранного потенциала со знаком плюс снаружи и знаком минус внутри.

В настоящее время транспортные АТФазы хорошо изучены. Показано, что это интегральные белки, то есть белки, молекулы которых пронизывают мембрану. Полипептидная цепь АТФаз несколько раз пересекает мембранный матрикс. АТФазы включают две части - каталитическую, взаимодействующую с АТФ и обращенную внутрь клетки, и канальную, направленную наружу.

Na+, K+-АТФаза состоит из  четырех полипептидов, называемых  ее субъединицами, - двух больших (a) и двух малых (b). Ее общая  молекулярная масса около 280 кD. H+-АТФаза  имеет молекулярную массу 104 кD. В  процессе работы эти АТФазы ведут себя как настоящие молекулярные машины. Они совершают определенные конформационные движения (то есть изменения пространственной ориентации структуры молекул), переходя из состояния Е1 в состояние Е2 и обратно. В результате этого происходит трансмембранный перенос ионов и создание активной компоненты мембранного потенциала. Вклад пассивного и активного механизмов в генерацию БЭП у разных биологических объектов может быть различным. Так, в аксонах доля активного механизма относительно невелика, в то время как, по нашим данным, в клетках высших растений она может достигать 60 - 70%.

Рассмотрим теперь, как ведет себя мембранный потенциал во время возбуждения. Этот процесс происходит практически во всех животных и растительных клетках, но приобретает черты высокоспециализированной функции в нервных волокнах. Его природа была раскрыта благодаря исследованиям Ходжкина и сотрудников на гигантских аксонах головоногих моллюсков, в частности, на гигантском аксоне кальмара. Эти аксоны не покрыты миелиновой оболочкой (многослойным образованием, защищающим мембрану аксона от окружающей среды) и имеют очень большой диаметр (0,5 - 1 мм), что значительно облегчает проведение с ними микроэлектродных исследований.

При возбуждении нервного волокна увеличивается проницаемость его мембраны для ионов Na. Поскольку ионов Na всегда больше снаружи и меньше внутри волокна, то они устремляются внутрь и вызывают деполяризацию мембраны, то есть уменьшение ее мембранного потенциала. Возникает восходящая ветвь ПД. Процесс деполяризации мембраны ионами Na идет до установления некоторого равновесного состояния, после чего резко увеличивается проницаемость мембраны для K+. В отличие от Na+, ионов K больше внутри волокна, чем в окружающей среде, поэтому они начинают выходить наружу. Это приводит к реполяризации мембраны, то есть восстановлению ее исходного потенциала. Возникает нисходящая ветвь ПД. Таким образом, генерация ПД в нерве непосредственно не связана с затратами энергии и происходит за счет уже имеющихся на мембране ионных градиентов.

Почему же при возбуждении вначале увеличивается проницаемость мембраны для Na+, а лишь затем для K+? Это связано с работой особых белковых образований в мембране - натриевых и калиевых каналов. Каналы - это своеобразные отверстия в мембране. Они имеют диаметр около 0,7 - 0,8 нм и заполнены водой. Две особенности примечательны в их строении: наличие селективного фильтра и ворот. Селективный фильтр - это та часть канала, которая позволяет в силу своего строения и физико-химических свойств производить отбор ионов. Например, натриевый канал пропускает преимущественно ионы Na, в то время как калиевый канал проницаем в основном для ионов K. Однако наиболее важная часть рассматриваемых каналов - ворота, то есть конформирующий, меняющий свою пространственную ориентацию участок канала, способный закрывать или открывать канал. Состояние ворот зависит от потенциала в мембране. При одних его значениях они открываются, при других становятся закрытыми. Генерация ПД как раз и возможна потому, что ворота натриевых и калиевых каналов по разному зависят от величины мембранного потенциала. В процессе генерации ПД при деполяризации мембраны под влиянием раздражителя вначале открываются натриевые каналы и возникает входящий внутрь волокна натриевый ток. И лишь позднее в условиях более глубокой деполяризации, вызванной входящим натрием, происходит закрывание (инактивация) натриевых каналов и открываются калиевые каналы, что приводит к возникновению выходящего потока ионов K и реполяризации мембраны.

Процесс возбуждения, связанный с генерацией ПД, наблюдается не только в нервных волокнах, но и во многих других образованиях, в том числе и в тканях растений. При этом механизм генерации ПД является по существу во всех случаях одинаковым. Отличия наблюдаются лишь в некоторых особенностях. Так, если у всех возбудимых объектов роль реполяризующего иона играет K+, то деполяризующий ион может быть разным. В нервных волокнах это Na+, в некоторых гладких мышцах Ca2+, а в клетках высших растений, как показали наши исследования, таким ионом является Cl.

В сильной степени может меняться сопряженность генерации ПД с метаболизмом. Их генерация в нервных волокнах, как мы видели, носит пассивный характер. Такой механизм вполне успешно функционирует, поскольку длительность одного импульса всего несколько миллисекунд, и за единичный импульс внутрь волокна входит Na+ и, соответственно, из него выходит K+ в количестве около 3 - 4 " 10-12 моль на 1 см2 поверхности мембраны. Следовательно, генерация одного импульса вызывает ничтожное нарушение имеющегося по обе стороны мембраны градиента концентраций ионов Na и K. Этого градиента хватает на генерацию очень многих импульсов. Не случайно в связи с этой особенностью выдающийся отечественный физиолог Н.Е. Введенский говорил, что нерв может работать в долг. Но, как принято говорить, долг платежом красен. И нарушенные градиенты ионов Na и K восстанавливаются в нерве путем работы ионного насоса - Na+, K+-АТФазы, работающей за счет энергии АТФ. Она выкачивает обратно из нерва Na+ и закачивает в него K+.

Иная ситуация в клетках растений. Длительность ПД здесь достигает нескольких секунд (или даже нескольких десятков секунд), и за это время происходит значительное нарушение существующих ионных градиентов. Поэтому ионному насосу, роль которого играет H+-АТФаза, приходится здесь восстанавливать ионный гомеостаз в большинстве случаев после каждого импульса. Более того, как оказалось, фаза реполяризации, то есть восстановления исходного потенциала, у высших растений также частично связана с работой H+-АТФазы. Наконец, есть организмы (например, водоросль ацетабулярия), у которых генерация ПД обусловлена преимущественно временным уменьшением активности метаболического ионного насоса. Таковы в общих чертах механизмы клеточного электрогенеза.

 

 

 

Заключение

Таким образом, изменения электрических свойств возбудимых биомембран осуществляется с помощью ионных каналов. Это белковые макромолекулы, пронизывающие липидный бислой, которые могут находиться в нескольких дискретных состояниях. Свойства каналов, селективных для ионов калия, натрия и кальция могут по-разному зависеть от мембранного потенциала, что и определяет динамику потенциала действия в мембране, а также отличия таких потенциалов в мембранах разных клеток.Нельзя преувеличить роль проницаемости плазматической мембраны в жизнедеятельности клетки. Большинство процессов, связанных с обеспечением клетки энергией и избавлением ее от продуктов распада, основаны на вышеописанных механизмах. Кроме того, специальные функции клеточной мембраны заключаются в получении клеткой внешних сигналов (примером этому могут служить описанные взаимодействия клетки с гормонами).

 

 

 

 

 

Литература

1. В. Ф. Антонов, А. М. Черныш, В. И. Пасечник, Биофизика, Москва, 2006 г.
2. В. О. Самойлов, Медицинская биофизика, Санкт-Петербург, 2007 г.
3. А. Н. Ремизов, Медицинская и биологическая физика, Москва, 1987 г.