Смирнов В.М. Нейрофизиология и высшая нервная деятельность детей и подростков - файл n1.doc

приобрести
Смирнов В.М. Нейрофизиология и высшая нервная деятельность детей и подростков
скачать (1607.3 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc3317kb.02.11.2006 20:58скачать

n1.doc

1   ...   6   7   8   9   10   11   12   13   ...   43

2.6. МЕХАНИЗМЫ ТРАНСПОРТА ВЕЩЕСТВ ЧЕРЕЗ КЛЕТОЧНУЮ МЕМБРАНУ НЕЙРОНА

2.6.1. Классификация транспорта веществ и его значение



А. Транспорт через клеточную мембрану обеспечивает: 1) поступление в клетку различных веществ, необходимых для синтеза клеточных структур и выработки энергии: 2) все перемещения частиц между клеткой и интерстицием, сосудами и интерстицием; 3) регуляцию физико-химических констант внутренней среды клетки; 4) создание электрических зарядов клеток, возникновение и распространение возбуждения; 5) выделение клетками продуктов ее обмена и биологически активных веществ: нейрогормонов, нейромедиаторов.

Б. Транспорт веществ через клеточную мембрану делят на пассивный (без затрат энергии) и активный (с затратой энергии). Считают, что движущей силой пассивного перемещения веществ являются концентрационный (химический) и электрический градиенты. Согласно концентрационному градиенту, частицы перемещаются из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией. Согласно электрическому градиенту, положительно заряженные частицы стремятся перейти в область с отрицательным электрическим зарядом, отрицательно заряженные частицы - в противоположном направлении. Направления электрического и концентрационного градиентов могут совпадать и не совпадать.

Следует, однако, заметить, что термин «пассивный транспорт» не соответствует действительности, так как электрический и концентрационный градиенты в живой клетке создаются активно, с затратой энергии.

Только обмен веществ между организмом и внешней средой может происходить частично без затрат энергии, если имеется концентрационный градиент, - это диффузия газов из легких в кровь или выход их из крови и всасывание питательных веществ в кровь из желудочно-кишечного тракта, если их концентрация в кишечнике больше, чем в крови. Термин «пассивный транспорт» необходимо исключить, так как подобного механизма в животном организме не существует, все виды транспорта веществ в организме осуществляются активно, с затратой энергии. В одних случаях энергия затрачивается непосредственно на транспорт какой-то частицы, например иона Na+, с помощью белковой молекулы, называемой насосом (помпа, см. раздел 2.6.2). Это первично-активный транспорт. В данном случае создается концентрационный (химический) градиент - запас потенциальной энергии. В других случаях энергия на перенос частиц затрачивается опосредованно: например, перенос молекул глюкозы с помощью натрия. Это вторично активный транспорт, энергия расходуется на перенос только натрия (см. раздел 2.6.3). Считают, что движение воды, согласно закону осмоса, осуществляется пассивно, без затрат энергии: вода движется в область с высокой концентрацией частиц (с высокой осмолярностью). Однако если осмотическое давление сравняется по обе стороны мембраны, то одностороннее движение воды прекратится. Движение воды, в результате которого была израсходована потенциальная энергия в виде концентрационного градиента, нельзя назвать пассивным, без затрат энергии. - это вторично активный транспорт.

Однако все частицы, в том числе ионы, не могут перемещаться сами, у

них нет собственного механизма передвижения (транспортного средства). Транспортируемые частицы являются пассивным элементом во всех случаях без исключения, их движение обеспечивает какой-то механизм, находящийся вне их (внешняя относительно частицы сила), например концентрационный градиент, ионная помпа, передвигающая ион. Активно в организме могут передвигаться только некоторые клетки, например: лейкоциты, тучные клетки. В частности, амебоидная подвижность нейтрофилов обусловлена образованием двигательных псевдоподий, при этом энергия расходуется на деятельность сократительного аппарата - актомиозиновых структур. Таким образом, расход энергии в организме на транспорт веществ в одних случаях осуществляется непосредственно, в других опосредованно.

Если энергия расходуется непосредственно на перенос частиц, транспорт следует называть первично активным. Если же на транспорт частиц расходуется ранее запасенная энергия, например концентрационный градиент, то такой транспорт следует называть вторично активным. В обоих случаях транспорт веществ является активным (с затратой энергии), поэтому вполне обоснованно использовать термины «первичный транспорт» и «вторичный транспорт» веществ.

2.6.2. Первичный транспорт



Первичный транспорт - это такой транспорт, когда энергия расходуется непосредственно на перенос частиц. Он включает, во-первых, перенос отдельных ионов вопреки концентрационному и электрическому градиентам с помощью специальных ионных насосов, во-вторых, эндоцитоз, экзоцитоз и трансцитоз (микровезикулярный транспорт).

А. Транспорт веществ с помощью насосов (помп). Насосы представляют собой белковые молекулы, обладающие свойствами переносчика и АТФазной активностью. Непосредственным источником энергии являются АТФ. Достаточно хорошо изучены Na/K.-, Са- и Н- насосы. Есть основание предполагать наличие и Cl-насоса, о чем свидетельствуют определенные факты. Рассмотрим основные характеристики насосов.

1. Специфичность насосов заключается в том, что они обычно переносят какой-то определенный ион или 2 иона. Например, Na/K-насос (объединенный насос для Na+ и К+) не способен переносить ион лития, хотя по своим свойствам последний очень близок к натрию.

2. Характеристика отдельных насосов. Натрий-калиевый насос (Na/K-АТФаза) - это интегральный белок клеточной мембраны, обладающий, как и все другие насосы, свойствами фермента, т.е. сам переносчик обеспечивает расщепление АТФ и освобождение энергии, которую он же сам использует. Этот насос изучен наиболее хорошо, он имеется в мембранах всех клеток и создает характерный признак живого - градиент концентрации Na+ и К+ внутри и вне клетки, что обеспечивает формирование мембранного потенциала и вторичный транспорт веществ. Главными активаторами насоса являются гормоны (альдостерон, тироксин), ингибирует насос недостаток энергии (кислородное голодание), его специфическими блокаторами служат строфантины, особенно уабаин. Работа натриевого насоса после удаления К+ из среды сильно нарушается. Кальциевый насос локализуется в эндоплазматическом ретикулуме, он обеспечивает транспорт ионов Са2+. Насос строго контролирует содержание ионов Са2+ в клетке, поскольку изменение уровня Са2+ нарушает ее функцию. Насос переносит ионы Са2+ либо во внеклеточную среду, либо в цистерны ретикулума и митохондрии (внутриклеточное депо ионов Са2+). Протонный насос работает в митохондриях нейрона, хлорный насос, подобно всем другим помпам, главную роль, очевидно, играет в процессах торможения ЦНС (см. раздел 4.8).

3. Постоянная работа насосов необходима для поддержания концентрационных градиентов ионов, связанного с ними электрического заряда клетки и движения воды и незаряженных частиц в клетку и из клетки вторично активно согласно законам диффузии и осмоса. Совокупность этих процессов обеспечивает жизнедеятельность нейрона, как и любой другой клетки. В результате разной проницаемости клеточной мембраны для различных ионов и постоянной работы ионных помп концентрация ионов внутри и снаружи клетки неодинакова. Ионы являются заряженными частицами, поэтому существует электрический заряд нейрона. Почти во всех изученных клетках внутреннее содержимое их заряжено отрицательно по отношению к внешней среде, т.е. внутри клетки преобладают отрицательные ионы, а снаружи - положительные.

Ионы К'1" находятся преимущественно в клетке, а ионы Na+ и Сl- - во внеклеточной жидкости. Внутри клетки расположены также крупномолекулярные (в основном белкового происхождения) анионы. Na/K-насос транспортирует не только ионы Na+ и K+, но и другие молекулы, например глюкозу, аминокислоты (см. раздел 2.6.3). Более трети энергии АТФ, потребляемой клеткой в состоянии покоя, расходуется на перенос только ионов Na+ и K+.

Это обеспечивает сохранение клеточного объема (осморегуляция), поддержание электрической активности в нервных клетках, транспорт других веществ.

Таким образом, первичный транспорт ионов играет исключительно важную роль в жизнедеятельности клеток.

4. Механизм работы ионных насосов заключается в следующем. Na/K-насос - молекула интегрального белка, пронизывающая всю толщу клеточной мембраны, переносит за один цикл 3 иона Na+ из клетки и 2 иона K+ в клетку (антипорт - противотранспорт). Это осуществляется в результате конформации молекулы белка в форму E1 или E2. Молекула имеет участок, который связывает либо ион Na+, либо ион K+, - это активный участок. При конформации E1 белковая молекула активной своей частью обращена внутрь клетки и обладает сродством к иону Na+, который присоединяется к белку, в результате чего активируется его АТФаза, обеспечивающая гидролиз АТФ и освобождение энергии. В результате освобождения энергии изменяется конформация молекулы белка: она превращается в форму E2, в результате чего активный ее участок уже обращен наружу клеточной мембраны. Теперь белок теряет сродство к иону Na+, последний отщепляется от него, а белок-помпа приобретает сродство к иону K+ и соединяется с ним. Это ведет снова к изменению конформации переносчика: форма E2 переходит в форму E1, активный участок белка снова обращен внутрь клетки. При этом он теряет сродство к иону K+ и последний отщепляется, а белок приобретает снова сродство к иону Na+ - цикл повторяется. Насос является электрогенным, поскольку за один цикл выводится из клетки 3 иона Na+ а возвращаются в клетку 2 иона K+. Энергия расходуется только на перенос ионов Na+. На обеспечение одного цикла работы Na/K - помпы расходуется одна молекула АТФ.

Подобным образом работают Са-АТФазы эндоплазматического ретикулума и клеточной мембраны, с той лишь разницей, что переносятся только ионы Сa2+ и в одном направлении - из гиалоплазмы в эндоплазматический ретикулум, а также наружу клетки. Кальциевый насос (Са-АТФаза) - молекула интегрального белка, также имеет активный участок, связывающий один или два иона Сa2+ и может быть в двух конформациях - E1 и E2. В конформации E1 активный участок молекулы белка обращен в гиалоплазму, обладает сродством к иону Сa2+ и соединяется с ним. В результате этого переходит в конформацию E2, когда активный участок молекулы белка обращен внутрь эндоплазматического ретикулума или наружу клетки. При этом уменьшается сродство белка к иону Сa2+, последний отщепляется от него. В присутствии иона Mg2+ освобождается энергия АТФ, за счет которой молекула белка Са-АТФазы вновь переходит в конформацию E1; цикл повторяется.

Б. Эндоцитоз и экзоцитоз (микровезикулярный транспорт).

Это еще два первичных (первично активных), близких по механизму транспорта, посредством которых различные материалы переносятся через мембрану либо в клетку (эндоцитоз), либо из клетки (экзоцитоз). С их помощью транспортируются крупномолекулярные вещества (белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты), которые не могут транспортироваться по каналам или с помощью насосов.

1. При эндоцитозе клеточная мембрана образует впячивания, или выросты, внутрь клетки, которые, отшнуровываясь, превращаются в пузырьки. Последние затем обычно сливаются с первичными лизосомами, образуя вторичные лизосомы, в которых содержимое подвергается гидролизу - внутриклеточному перевариванию. Продукты гидролиза используются клеткой. Например, выделившийся медиатор нервным окончанием захватывается снова посредством эндоцитоза.

2. Экзоцитоз - процесс, обратный эндоцитозу, это механизм секреции нейрогормонов и нейромедиаторов. Экзоцитозные пузырьки образуются в аппарате Гольджи. В пузырьки упаковываются белки. образовавшиеся в рибосомах эндоплазматического ретикулума. Низкомолекулярные вещества (медиаторы, некоторые гормоны) попадают в везикулы преимущественно с помощью вторичного транспорта. Пузырьки транспортируются посредством сократительного аппарата клетки, состоящего из нитей актина и миозина и микротрубочек, к клеточной мембране, сливаются с ней, а содержимое клетки выделяется во внеклеточную среду. Энергия АТФ расходуется на деятельность сократительного аппарата клетки. Процесс слияния везикул с клеточной мембраной активируется фосфолипидом, лизолецитином и уровнем внутриклеточных ионов Са2+. Например, поступление ионов Са2+ в нервное окончание обеспечивает выделение медиатора через пресинаптическую мембрану в синаптическую щель. В процессе взаимодействия эндо- и экзоцитоза происходит самообновление клеточной мембраны (кругооборот, рециркуляция): в течение каждого часа в процессе эндоцитоза в разных клетках используется от 3 до 100% клеточной оболочки, но с такой же скоростью происходит ее возобновление в результате экзоцитоза.

3. Трансцитоз сочетает элементы эндо- и экзоцитоза. Это перенос частиц через клетку: например, перенос молекул белка в виде везикул через эндотелиальную клетку капилляров на другую сторону в интерстиций мозга. В данном случае эндоцитозные пузырьки не взаимодействуют с лизосомами, при этом пузырьки могут сливаться друг с другом, образуя каналы, пересекающие всю клетку.

2.6.3. Вторичный транспорт


Вторичный транспорт - это переход различных частиц и молекул воды за счет ранее запасенной (потенциальной) энергии. Потенциальная энергия создается в виде электрического и концентрационного градиентов, что обеспечивает транспорт веществ через клеточную мембрану нейронов. Ко вторичному относятся следующие виды транспорта.

А. Диффузия. Согласно законам диффузии, частицы перемещаются из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией. Частицы с одноименными электрическими зарядами отталкиваются, с разноименными - притягиваются друг к другу. Направление диффузии определяется взаимодействием электрического и концентрационного (химического) градиентов. Если частицы не заряжены, то направление их диффузии определяется только градиентом концентрации. Скорость диффузии зависит от проницаемости клеточной мембраны, а также градиента концентрации для незаряженных частиц; электрического и концентрационного градиентов для заряженных частиц. Направления действия электрического и концентрационного градиентов могут не совпадать. Например, ионы Na+ в процессе возникновения возбуждения продолжают поступать в клетку, когда она внутри уже заряжена положительно. Этот переход ионов обеспечивается концентрационным градиентом вопреки электрическому градиенту. Совокупность химического (концентрационного) и электрического градиентов называют электрохимическим градиентом. Различают простую и облегченную диффузии и осмос как частный случай диффузии.

1. Простая диффузия осуществляется либо непосредственно через липидный бислой, либо через каналы. Заряженные частицы движутся согласно электрохимическому градиенту, а незаряженные - согласно только химическому градиенту. Через липидный бислой проходят жирорастворимые частицы. Если они находятся в воде по одну сторону мембраны, то могут внедряться в липидную оболочку благодаря тепловому движению (при этом необходимо освободиться от гидратной оболочки). Частицы-неэлектролиты обычно легко освобождаются от гидратной оболочки (разрыв водородных связей). Естественно, с уменьшением молекулярной массы способность перехода частиц через мембрану возрастает. Примером простой диффузии через липидный слой может служить диффузия малых незаряженных полярных молекул: этанола, кислорода, углекислого газа, стероидных гормонов и других липидов, тироксина, мочевины, а также чуждых клетке веществ, в частности ядов и лекарственных средств.

Этот процесс происходит слишком медленно и плохо контролируется.

В ходе эволюции сформировались специальные каналы, по которым могут проходить различные частицы, причем ионы очень быстро - за 0,5-1 мс. Каналы заполнены водой, и кроме ионов через них могут проходить малые молекулы неэлектролитов (этанол, мочевина), заряженные молекулы. Диаметр этих каналов 0,3-0,8 нм. Скорость диффузии определяется электрохимическим градиентом и проницаемостью клеточной мембраны для данного вещества. С течением времени скорость простой диффузии изменяется мало, пока существует движущая сила (электрический или концентрационный градиент), так как по одному и тому же каналу или через липидный бислой после прохождения одной частицы сразу же может следовать другая (подробнее о каналах см. раздел 2.6.4).

2. Облегченная диффузия осуществляется также согласно концентрационному градиенту и обеспечивает перенос веществ, способных образовывать комплексы с молекулами—переносчиками мембранных белков. Переносчик должен свободно переходить с одной стороны мембраны на другую. Этот транспорт осуществляется очень быстро, поскольку переносчик облегчает переход транспортируемого вещества через мембрану. Движущей силой является градиент транспортируемого вещества. С помощью простой диффузии не могут проходить через мембрану даже небольшие полярные молекулы: моносахариды, аминокислоты. Облегченная диффузия имеет ряд особенностей:

•наличие специфических переносчиков для отдельных или нескольких веществ, близких по строению. Вещества, имеющие сходные по строению молекулы, могут переноситься одним и тем же переносчиком и конкурировать за переносчика;

•у молекулы-переносчика может быть особый канал, пропускающий вещество только одного определенного типа;

•с увеличением концентрации вещества с одной стороны мембраны скорость облегченной диффузии возрастает только до определенного предела в отличие от простой диффузии. Прекращение нарастания облегченной диффузии при увеличении концентрации вещества свидетельствует о том, что все переносчики уже заняты, - явление насыщения. Выделяют специфическое стимулирование и ингибирование облегченной диффузии: например, флоридзин, введенный в просвет кишечника, специфически подавляет транспорт Сахаров, не затрагивая переноса аминокислот; инсулин активирует перенос глюкозы в клетки организма. Переносчиками являются белковые молекулы, которые совершают челночные движения через мембрану либо встраиваются в нее. В последнем случае образуется канал, по которому проходят транспортируемые вещества, в основном сахара, аминокислоты.

В случае предполагаемых челночных движений белковых молекул-переносчиков возникает вопрос: какая сила обеспечивает транспорт самих переносчиков? Если это одностороннее движение, то оно быстро прекратится после уравнивания концентрации самих переносчиков по обе стороны клеточной мембраны. На этот вопрос ответа пока нет. Мы полагаем, что возможны два механизма. Во-первых, за счет создания градиента концентрации самого переносчика, с помощью концентрационного градиента транспортируемого вещества. Если, например, концентрация глюкозы или аминокислоты больше вне клетки, чем в клетке, то она может переходить в клетку согласно своему градиенту концентрации. Образование комплекса молекул глюкоза - переносчик лишь улучшает прохождение глюкозы через мембрану согласно концентрационному градиенту глюкозы. Движущей силой является концентрационный градиент глюкозы. На внутренней стороне клеточной мембраны комплекс распадается, поэтому концентрация молекул-переносчиков возрастает и они, согласно своему концентрационному градиенту, переходят на наружную сторону клеточной мембраны, снова соединяются с глюкозой и ускоряют ее переход в клетку. Во-вторых, челночные движения переносчика могут осуществляться с помощью ионов К+. Известно, что К+ постоянно диффундирует из клетки согласно концентрационному градиенту. При этом в клетке может образоваться комплекс ион К+ - молекула переносчика, который и перейдет с внутренней стороны клеточной мембраны на наружную сторону. В этом случае движущей силой является концентрационный градиент иона К+, который затем переносится в клетку Na/K-помпой с непосредственной затратой энергии, т.е. первично активно. Напомним, что энергия здесь затрачивается только на транспорт иона Na-1' - экономичность транспорта веществ. Переносчик транспортируется вторично активно, если не будет работать Na/K-помпа, челночные движения переносчика согласно такому представлению прекратятся.

3. Осмос - это частный случай диффузии: движение воды (растворителя) через полупроницаемую мембрану в область с большей концентрацией частиц, т.е. с большим осмотическим давлением. Осмотическое давление - это диффузионное давление, обеспечивающее движение растворителя через полупроницаемую мембрану. Измеряется минимальной величиной механического давления на раствор (например, с помощью поршня), препятствующего движению растворителя через полупроницаемую мембрану. Осмотическое давление одномолярного раствора чрезвычайно велико - 22,4 атм, в плазме крови оно существенно ниже - 7,6 атм, несколько больше внутри клетки, что и обеспечивает ее упругость вследствие поступления воды в клетку и растяжения ее мембраны. Осмос продолжается до выравнивания осмотического давления по обе стороны полупроницаемой мембраны или выравнивания осмотического давления и гидростатического противодавления. Поэтому при подавлении метаболизма клетки быстро набухают, так как внутри клетки осмотическое давление сохраняется повышенным: внутрь клеток поступает вода и они становятся более упругими. Вода поступает в клетку через водные каналы и временные поры, образующиеся между молекулами липидов и при смещении белков. Через водные каналы могут проходить также малые незаряженные молекулы: кислород, углекислый газ, этанол, мочевина.

Б. Натрийзависимый транспорт. В этом случае энергия затрачивается на создание градиента натрия. Различают два варианта данного механизма транспорта.

Первый вариант: направление движения транспортируемого вещества совпадает с направлением движения натрия согласно его электрохимическому градиенту (симпорт). Глюкоза связывается с белком-переносчиком мембраны, последний соединяется с ионом Na+, a Na+, согласно концентрационному и электрическому градиентам, диффундирует в клетку и несет с собой глюкозу. На внутренней стороне клеточной мембраны комплекс распадается, ион Na+ выводится помпой с непосредственной затратой энергии из клетки в интерстиций вопреки электрохимическому градиенту - первично активно. С помощью натриевого механизма обеспечивается обратный захват (реабсорбция) медиатора в пресинаптическую терминаль из синаптической щели в синапсах ЦНС. Транспорт веществ с помощью иона Na+ осуществляется согласно законам диффузии для ионов Na+. Транспортируемое вещество при этом может поступать в клетку вопреки собственному концентрационному градиенту. Движущей силой является электрохимический градиент ионов Na4'. Глюкоза вместе с ионом Na+ попадает в клетку даже в том случае, если ее концентрация в клетке больше, чем в среде, если, конечно, электрохимический градиент Na+ превосходит концентрационный градиент глюкозы.

Второй вариант: перемещение транспортируемых частиц направлено в противоположную движению ионов Na+ сторону - это антипорт (противотранспорт). С помощью этого обменного механизма регулируется, например, содержание ионов Са2+ в клетке, рН внутри клетки за счет выведения иона Н+ в обмен на внеклеточный ион Na+. Внутриклеточная концентрация иона Ca2+ на несколько порядков ниже внеклеточной. Натриевый концентрационный градиент участвует в выведении иона Са2+ из клетки. Об этом свидетельствует, в частности, следующий факт. Выведение иона Ca2+ из клетки снижается, если удалить из внеклеточной среды ион Na+. Это позволяет предположить, что ион Са2+ выводится из клетки в обмен на поступающий в нее ион Na+ и противоположно направленные потоки этих ионов сопряжены друг с другом; обеспечивается данный транспорт переносчиком-обменником. Исходным источником энергии этого процесса опять является градиент Na+, который в конечном счете формируется за счет АТФ-зависимого активного транспорта ионов Na+. Поэтому во всех случаях, когда ток ионов Na+ в клетку уменьшается, снижается и выведение ионов Са2+ из клетки. Это наблюдается в следующих случаях: при ингибировании Na/K-АТФазы, уменьшении внеклеточной концентрации ионов Na+- и в бескалиевой среде (когда Na+ выводится недостаточно из клетки). При этом Na/Ca-обменник блокируется, в результате чего увеличивается внутриклеточная концентрация ионов Ca2+.

Однако конкретный механизм работы переносчика-обменника не ясен. Переносчик может транспортировать ионы Са2+ и Н+ вопреки их электрическим и концентрационным градиентам только в том случае, если сам переносчик имеет собственный градиент - его концентрация на внутренней стороне клетки больше, чем на наружной. Этот градиент должен постоянно поддерживаться, иначе перенос ионов Са2+ и Н+ прекратится. Мы полагаем, что выведение ионов Са2+ и Н+ из клетки в результате диффузии иона Na+ в клетку (противотранспорт) осуществляется следующим образом. Ион Na+ постоянно диффундирует в клетку согласно своему электрохимическому градиенту и транспортирует с собой (в комплексе) молекулы-переносчики, что и ведет к созданию их концентрационных градиентов. Ионы Са2+ и Н+ на внутренней стороне клетки соединяются со своими переносчиками и транспортируются из клетки в виде комплексов согласно градиентам своих переносчиков. Именно поэтому, например, блокада Na/K-насоса ведет к накоплению ионов Са2+ в клетках (транспорт ионов Ca24' из клетки уменьшается). Это примеры вторичного транспорта вещества за счет первичного транспорта иона Na+, который с помощью помпы выводится из клетки. Переносчики совершают челночные движения за счет работы Na/K-насоса - вторично активно и транспортируют с собой ионы Са2+ и Н+.

В. Транспорт веществ из кровеносных сосудов в интерстиций ЦНС осуществляется с помощью диффузии, осмоса, фильтрации и трансцитоза. Фильтрация - переход раствора через полупроницаемую мембрану (стенку сосуда) под действием градиента гидростатического давления между жидкостями по обе стороны этой мембраны. Градиент гидростатического давления создается либо деятельностью сердца (фильтрация в артериальном конце капилляра всех органов и тканей организма, а также образование первичной мочи в почке), либо гладкими мышцами пищеварительного тракта и мышечного пресса, обеспечивающих повышение гидростатического давления в полости желудка и кишечника, что способствует всасыванию веществ в кровь.

Таким образом, механизмы вторичного транспорта веществ весьма разнообразны. Вторичный транспорт ионов осуществляется, как правило, с помощью простой диффузии через специальные ионные каналы.

2.6.4. Ионные каналы



Ионные каналы образованы белками, они весьма разнообразны по устройству и механизму действия. Известно более 50 каналов различных клеток, каждая нервная клетка содержит более пяти разных каналов.

А. Классификация ионных каналов. Классифицируют ионные каналы по нескольким признакам.

1. По возможности управления функцией различают неуправляемые (каналы утечки ионов) и управляемые каналы. Через неуправляемые каналы ионы перемещаются постоянно, но медленно, естественно, при наличии электрохимического градиента, как и в случае быстрого перемещения ионов по управляемым каналам. Последние могут быть быстрыми и медленными. Потенциал действия в нейроне возникает в основном вследствие активации быстрых Na- и К-каналов. Управляемые каналы имеют ворота с механизмами их управления, поэтому ионы через них могут проходить только при открытых воротах.

2. В зависимости от стимула, активирующего или инактивирующего управляемые ионные каналы, основными каналами нейронов ЦНС являются потенциалчувствительные и хемочувствительные каналы. При взаимодействии медиатора (лиганда) с рецепторами хемочувствительного канала, расположенного на поверхности клеточной мембраны, может происходить открытие его ворот, поэтому хемочувствительный канал называют также рецепторуправляемым каналом. Лиганд - это биологически активное вещество или фармакологический препарат, активирующий или блокирующий рецептор. Открытие хемочувствительных каналов происходит в результате конформационных изменений рецепторного комплекса. Ворота потенциалзависимых каналов открываются и закрываются при изменении величины мембранного потенциала. Поэтому в конструкции их воротного механизма должны быть частицы, несущие электрический заряд.

3. В зависимости от селективности различают ионоселективные каналы, пропускающие только один ион, и каналы, не обладающие селективностью. В нейронах имеются Na-, К-, Са- и С1-селективные каналы. Есть каналы, пропускающие несколько ионов, например, Na+ , К+ и Са2+, т.е. не обладающие селективностью. Наиболее высока степень селективности потенциалчувствительных (потенциалзависимых) каналов, несколько ниже она у хемочувствительных (рецепторзависимых) каналов, постсинаптических мембран, через каналы которых могут одновременно проходить ионы Na+ и К+.

4. Для одного и того же иона может быть несколько видов каналов. Наиболее важными из них для формирования биопотенциалов являются следующие.

Каналы для ионов К+. Калиевые неуправляемые каналы покоя (каналы утечки), через которые постоянно выходит К+ из клетки, что является главным фактором в формировании мембранного потенциала (потенциала покоя). Потенциалчувствительные управляемые К-каналы, сравнительно медленно активирующиеся при возбуждении клетки в фазу деполяризации с последующим ускорением активации, что обеспечивает быстрый выход ионов К4' из клетки и ре-поляризацию ее (см. раздел 3.4).

Каналы для ионов Na+. Они бывают быстрые и медленные (утечки). Быстрые Na-каналы потенциалчувствительны, быстро активируются при уменьшении мембранного потенциала, что обеспечивает вход иона Na+ в клетку во время ее возбуждения (восходящая часть). Затем эти каналы быстро инактивируются. Медленные неуправляемые Na-каналы - каналы утечки, через которые ион Na+ постоянно диффундирует в клетку и переносит с собой другие молекулы, например глюкозу, аминокислоты, молекулы-переносчики. Таким образом, Na-каналы утечки обеспечивают вторичный транспорт веществ и участие ионов Na+ в формировании мембранного потенциала (см. раздел 3.3).

Б. Устройство ионных каналов и их функционирование. Каналы имеют устье и селективный фильтр, а управляемые каналы - и воротный механизм. Они заполнены жидкостью, размеры каналов 0,3-0,8 нм. Селективность ионных каналов определяется их размером и наличием в канале заряженных частиц. Эти частицы имеют заряд, противоположный заряду иона, который они притягивают, что обеспечивает проход иона через данный канал (одноименные заряды, как известно, отталкиваются). Через ионные каналы могут проходить и незаряженные частицы. Ионы, проходя через канал, должны избавиться от гидратной оболочки, иначе их размеры будут больше размеров канала. Например, диаметр иона Na+ с гидратной оболочкой равен 0,3 нм, а без гидратной оболочки - 0,19 нм. Слишком мелкий ион, проходя через селективный фильтр, не может отдать гидратную оболочку, поэтому он не может пройти через канал. Однако, по-видимому, имеются и другие механизмы селективности клеточной мембраны. Гипотеза «просеивания» не в состоянии объяснить, например, почему ион К+ не проходит через открытые Na-каналы в начале цикла возбуждения клетки, но тем не менее она дает удовлетворительное, а в некоторых случаях и абсолютно убедительное объяснение избирательной (селективной) проницаемости клеточных мембран для разных частиц и ионов.

В. Особенности функционирования различных видов управляемых каналов. Такие каналы отличаются по степени селективности. Наиболее высока степень селективности потенциалчувствительных (потенциалзависимых) каналов. У каналов разных видов может наблюдаться или отсутствовать взаимодействие между собой. Так, частичная деполяризация клеточной мембраны за счет активации хемочувствительных каналов может привести к активации потенциалчувствительных каналов, например, для ионов Na+, что обеспечивает возбуждение нейрона. Однако активация потенциалчувствительных каналов не влияет на функцию хемочувствительных каналов нейронов.

Г. Ионные каналы блокируются специфическими веществами и фармакологическими препаратами. Новокаин, например, как местный анестетик снимает болевые ощущения потому, что он, блокируя Na-каналы, прекращает проведение возбуждения по нервным волокнам.

2.6.5. Основные свойства нервной клетки



1. Возбудимость - это свойство нейрона генерировать потенциал действия на раздражение. Исходя из этого определения, необходимо отметить следующее. Возбудимость является частным случаем наиболее общего свойства всех клеток - раздражимости.

К возбудимым клеткам относятся только те, которые генерируют потенциал действия. Это мышечные и нервные клетки. Нередко к возбудимым тканям относят и «железистую ткань». Однако для этого нет оснований, поскольку железистой ткани нет, имеются различные железы и железистый эпителий как вид ткани. В процессе активной деятельности железы в ней действительно регистрируются биоэлектрические явления, так как железа как орган состоит из различных клеток: соединительной ткани, эпителиальной, мышечной. ПД проводится по мембранам нервных и мышечных клеток, с его помощью передается информация и обеспечивается управление деятельностью клеток организма.

Невозбудимыми тканями являются эпителиальная и соединительная (собственно соединительная, ретикулярная, жировая, хрящевая, костная и гематопоэтические ткани в совокупности с кровью). Клетки этих тканей не генерируют потенциалы действия при действии на них раздражителя.

Раздражитель - это любое изменение внешней или внутренней среды организма, воспринимаемое клетками и вызывающее ответную реакцию. В зависимости от природы раздражители делят на физические (электрические, механические, температурные, световые) и химические, в зависимости от степени чувствительности клеток к тому или иному раздражителю - на адекватные и неадекватные. Адекватный раздражитель - это такой раздражитель, к которому клетка обладает наибольшей чувствительностью вследствие наличия специальных структур, воспринимающих этот раздражитель. Адекватным раздражителем нейронов являются медиаторы и электрические импульсы.

Из всех видов раздражителей в эксперименте часто используют электрический раздражитель, поскольку он является универсальным, его легко дозировать по силе, длительности, частоте и крутизне нарастания силы стимула.

2. Проводимость - это способность ткани и клетки проводить возбуждение (см. раздел 4.1). Процессы возбуждения и торможения нервных клеток (электрические явления) обеспечивают выполнение их функций. Следует отметить, что все клетки и ткани организма обладают раздражимостью - это общее свойство живой материи активно изменять характер своей жизнедеятельности при действии раздражителя. Реакции отдельных клеток, тканей на действие раздражителя могут быть весьма разнообразными: изменение интенсивности обмена веществ, рН, проницаемости клеточной мембраны, движение ионов, электрические явления, ускорение клеточного деления и роста, структурно-функциональные реакции (например, выделение секрета железистыми клетками или сокращение мышечных клеток). Степень выраженности возможных изменений может быть различной, она зависит от вида клеток или ткани, которые подвергаются действию раздражителя. Таким образом, возбудимость - это частный вид раздражимости.
1   ...   6   7   8   9   10   11   12   13   ...   43


2.6. МЕХАНИЗМЫ ТРАНСПОРТА ВЕЩЕСТВ ЧЕРЕЗ КЛЕТОЧНУЮ МЕМБРАНУ НЕЙРОНА
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации