Біоелектричні явища в тканинах
Встановлено, що загальним для збудження всіх клітин є виникнення електричного потенціалу на поверхні мембрани. Тому найважливішою й обов'язковою ознакою збудження є електрична активність тканини.
Відкриття електричних явищ у живих тканинах належить італійському вченому Л. Гальвані (1737—1798).
На нервово-м'язовому апараті (ікроножний м'яз — сідничний нерв) жаби Л. Гальвані помітив, що при накладанні перерізаного кінця сідничного нерва на м'яз виникало скорочення м'яза — м'яз здригався. Так було доведено, что джерелом електрики є самі тканини. Пізніше було встановлено, что ушкоджена поверхня тканини поляризується стосовно неполяризованої. Цей струм можна зареєструвати за допомогою гальванометра. Він був названий струмом спокою, тому що він виникає в спочиваючому м'язі. Далі був відкритий другий вид біопотенціалів, що виникають при збудженні. Цей струм названий струмом дії, оскільки реєструвався так: на м'яз, що скорочується, накладають нерв іншого нервово-м'язового препарату, при цьому його м'яз теж починає скорочуватися. Це є результатом переходу подразнення з працюючого м'яза на нерв, що приводить до його збудження, яке передається на з'єднаний з ним м'яз.
На сучасному етапі електрофізіологічні дослідження проводяться за допомогою унікальної мікроелектронної техніки на рівні окремих клітин і біологічних мембран.
Природа поляризації клітинних мембран на сьогоднішній день визначена. Вона базується на особливостях будови і функціонування клітинних мембран, що мають виборчу проникність і здатні змінювати проникність у залежності від функціонального стану. Крім того, необхідно враховувати іонний склад позаклітинного середовища і внутрішньоклітинної рідини. Мембрана легко проникна для жиророзчинних речовин, молекули яких проникають крізь бімолекулярний шар ліпідів. Великі водорозчинні молекули — аніони органічних кислот, зовсім не проходять через мембрану, а можуть залишати клітину лише шляхом екзоцитозу. У мембрані також існують канали, проникні для води, малих молекул водорозчинних речовин і малих іонів. Крім того, клітинна мембрана пронизана специфічними (селективними) іонними керованими каналами для №+, К+, СІ-, Са2+, які можуть у відповідь на подразнення відкриватися і закриватися. Іонний канал складається з пори, воріт — білкової молекули, здатної змінювати свою конфігурацію, та індикатора, що реагує на зміну напруження і посилає імпульси на ворота каналу. Поряд із селективними каналами, що вибірково пропускають тільки певні іони (№+ чи К+, Са2+ чи СІ-), існують неспецифічні канали для іонного витоку, кожний з який проникний для №+, К+і С. Ці канали не мають воротних механізмів, вони завжди відкриті.
Особливістю хімічного складу клітин і оточуючої міжклітинної рідини є різниця концентрацій іонів по обидва боки мембрани. У таблиці 1 подано іонний склад цитоплазми посмугованого м'язового волокна і міжклітинної рідини теплокровних тварин. На зовнішній поверхні мембрани набагато більше іонів №+ і С1-, на внутрішній — К+ і органічних аніонів.
Таблиця 1
Іонний склад цитоплазми посмугованого м'язового волокна і міжклітинної рідини теплокровних тварин (ммоль/л)
| Іони | Цитоплазма | Міжклітинна речовина |
| №+ | ||
| К+ | ||
| Са2+ | - | |
| СІ- | ||
| А- (органічні аніони) | - |
4.1.1. Мембранний потенціал
Мембрани всіх живих клітин у спокої поляризовані, тобто мають різний електричний потенціал зовнішньої і внутрішньої поверхонь. Вимір електричного заряду, виконаний за допомогою мікроелектрон-ної техніки, показує, що внутрішня поверхня мембрани заряджена негативно стосовно міжклітинної рідини. Ця різниця потенціалів між зовнішньою і внутрішньою поверхнями мембрани називається мембранним потенціалом спокою. Різниця потенціалів — величина постійна і для різних клітин збудливих тканин коливається від —60 до—100 мВ.
Виникнення мембранного потенціалу обумовлено різною концентрацією іонів №+, К+, С1—, Са2+ всередині і зовні клітини, а також різною проникністю для них мембрани. Так, концентрація К+ усередині клітини в 40—50 разів більша, ніж у міжклітинній рідині, а концентрація №+, навпаки, більша зовні клітини. Та ж різниця концентрацій характерна для Са2+. У стані спокою мембрана проникна для іонів К+, тому що більшість калієвих каналів відкриті, слабопроникна для №+, тому що практично всі натрієві канали закриті, і непроникна для органічних аніонів і С1—, оскільки всі канали для них закриті. Такий стан іонних каналів мембрани дуже важливий для Генерації мембранного потенціалу. Крім того, поляризація мембрани при відкритих калієвих каналах пояснюється ще, хоча і невеликим, але існуючим витоком внутрішньоклітинного К+ у навколишнє середовище. Витік К+ створює різницю електричних потенціалів в умовах, коли вхід №+ у клітину або вихід з неї органічних аніонів, що могли б порушити градієнт іонів, виключені властивостями спочиваючої мембрани. У цій ситуації на мембрані створюється подвійний електричний шар: зовні — катіони, в основному, №+, усередині — аніони, переважно, органічних кислот. Таким чином, вихід К+ із клітини створює надлишок позитивного заряду на зовнішній поверхні мембрани, сумуючись із позитивними зарядами іонів №+. Негативно ж заряджені іони цитоплазми концентруються біля внутрішньої поверхні мембрани, створюючи негативний потенціал.
Різниця концентрацій катіонів всередині і зовні клітини підтримується в результаті роботи так званого натрій-калієвого насоса мембрани, що безперервно відкачує №+ із клітини в обмін на К+. Такий перенос проти градієнта концентрації називається активним іонним транспортом на відміну від пасивного — витоку іонів. Основним компонентом натрій-калієвого насоса є фермент — №, К-АТФаза. Іонний насос працює, споживаючи енергію АТФ, що надходить з міто-хондрій. Макромолекулярний механізм працює, приєднуючи зовні іони К+, а зсередини клітини — іони №+ (рис. 34).
II
III
А
Б
Рис. 34. Дві гіпотези про механізм роботи натрій-калієвого насоса мембрани:
А — схема із внутрішньомембранними частками, що переміщаються; Б — схема із мембранною макромолекулою, ритмічно змінюючою свою конформацію; І — внутрішньоклітинне середовище; ІІ — мембрана; ІІІ — позаклітинне середовище; 1 — транспортуюча речовина; 2 — транспортуючі частки; 3 — макромолекула, ритмічно змінююча свою конформацію (за рахунок енергіїАТФ); а—конформація для віддачі речовини у зовнішнє середовище; б — конформація для прийому речовини із клітини; (стрілками вказано напрямок руху часток)
I
Для визначення мембранного потенціалу спокою із врахуванням проникності мембран для різних іонів користуються формулою Гольдмана:
^ТРЛК+и+Р^^а+и+Р^СПвн
Р Рк[К+]вн+Р№[№+]вн+Ра[СГ]зов '
де R — універсальна газова стала, тобто кінетична енергія 1 моля іонів при абсолютній температурі Т _ 1К; Т — абсолютна температура;
Р — число Фарадея — заряд 1 моля одновалентних іонів; Е — потенціал;
Р — проникність мембрани для відповідних іонів;
[К+]зов, [К+]вн — концентрація вільних іонів у цитоплазмі і міжклітинній рідині.
Значення мембранного потенціалу спокою полягає в забезпеченні біологічної властивості — збудливості, тобто готовності до збудження.
Мембранний потенціал у самій мембрані проявляється як електричне поле. Це поле впливає на макромолекули мембрани і надає їх зарядженим групам певної просторової орієнтації.
4.1.2. Потенціал дії
При дії на клітину подразника в ній відбуваються складні зміни в мікроструктурі, обміні речовин, концентрації іонів і виникає специфічна реакція, зумовлена електричним потенціалом, що називають потенціалом дії (ПД) чи потенціалом збудження. Потенціал дії — дуже швидке коливання мембранного потенціалу, що виникає при збудженні клітин подразником порогової сили. За допомогою цього потенціалу здійснюється передача інформації в нервовій системі від однієї клітини до іншої, передаються сигнали від нервів до м'язових клітин.
При дії подразника на мембрану виникає її деполяризація спочатку тільки в місці подразнення. Ця деполяризація називається локальною відповіддю або локальним потенціалом. Цей процес зумовлений переміщенням іонів через канали мембрани. Особливості його полягають у тому, що він: 1) залежить від сили подразника; 2) зникає після
припинення подразнення; 3) здатний до сумації; 4) не здатний до незатухаючого поширення. Таким чином, локальний потенціал—це одна із форм місцевої відповіді на подразнення.
При подальшому посиленні стимулу місцевий потенціал досягає певного критичного рівня (критичнийрівень деполяризації), і починається деполяризація мембрани, тобто виникає процес збудження. Величина критичного рівня деполяризації для різних клітин різна. Наприклад, для нервового волокна ця величина складає 10 мВ. Таким чином, критичний рівень потенціалу визначає рівень максимальної активації натрієвих каналів.
Потенціал дії має характерну структуру: у ньому розрізняють пік (спайк) і слідові потенціали (позитивний і неґативний) (рис. 35).
мВ + 401—
-50 Не-^
- 80
Потенціал дії (процес збудження, що поширюється)
Поріг
Час, мс Рис. 35. Потенціал дії
4.1.2.1. Іонний механізм потенціалу дії
При досягненні критичного рівня деполяризації відбувається швидке відкриття натрієвих каналів, что приводить до лавиноподібного над
ходження №+ усередину клітини. Вхід №+у клітину забезпечує повну деполяризацію мембрани. У цей час надходження позитивних зарядів у клітину викликає зменшення позитивного заряду на зовнішньому боці мембрани і збільшення його в цитоплазмі. Різниця потенціалів падає до 0, а потім, по мірі надходження №+ у клітину, відбувається зміна заряду мембранного потенціалу. Зовнішня поверхня стає електронеґа-тивною стосовно внутрішньої, тобто відбувається інверсія потенціалу. Таким чином, вхід іонів №+ забезпечує висхідну фазу піку потенціалу дії — деполяризацію (рис. 35).
У розвитку потенціалу дії беруть участь, крім натрієвих і калієвих каналів, кальцієві канали. Але вони здатні активізуватися лише при наявності у внутрішньоклітинному середовищі факторів, необхідних для реакції фосфорилування мембранних білків: циклічного аденозинмо-нофосфату (цАМФ), АТФ й іонів магнію.
У виникненні потенціалу дії Са2+ бере участь шляхом внеску в процес деполяризації, здійснюючи регуляцію натрієвої і калієвої проникності мембран. Однак головна роль кальцієвих каналів — забезпечення взаємозв'язку між деполяризацією мембрани і внутрішньоклітинних процесів.
При досягненні певного значення потенціалу дії (близько 120 мВ) натрієві канали закриваються, і рух №+ усередину клітини зупиняється (натрієва інактивація), але продовжується значний вихід іонів К+. Це призводить до зупинки зростання струму дії, пік ПД закінчується і починається відновлення поляризації мембрани — реполяризація. У результаті натрієвої інактивації потік №+ у цитоплазму слабшає, а збільшення калієвої проникності викликає посилення потоку К+ у міжклітинний простір. Починають працювати натрієві і калієві насоси. Спочатку натрієвий викачує №+ назовні, відновлюючи початкову різницю концентрацій. Потім включається калієвий насос, що повертає К+ усередину клітини з міжклітинних просторів. У результаті цих процесів внутрішня поверхня знову набуває неґативного заряду стосовно зовнішнього середовища.
4.1.3. Слідові потенціали
Слідом за піком ПД мембрана деякий час (15—30 мс) залишається частково деполяризованною. Такий стан називається неґативним слідовим потенціалом або слідовою деполяризацією. Його походження пов'язане із залишковим струмом №+ у клітину і накопиченням К+ у міжклітинних щілинах (рис. 36 А).
Після відновлення початкового рівня мембранного потенціалу спокою ще деякий час продовжується робота калієвого насоса. Тому створюється ситуація, коли К+ попадає в клітину більше, ніж вийшло при збудженні. При цьому мембранний потенціал збільшується на час (—93 мВ) і виникає слідова гіперполяризація або позитивний слідовий потенціал тривалістю 50—300 мс. Ця величина залежить від функцій клітин і їх функціонального стану (рис. 36 А).
Таким чином, завершується комплекс змін, що визначають потенціал дії або одиночний цикл збудження.