Волькенштейн М.В. Общая биофизика

Подождите немного. Документ загружается.

4.4.

АКТИВАЦИЯ

ИНАКТИВАЦИЯ НАТРИЕВОЙ ПРОВОДИМОСТИ

201

Из

опыта известно,

что

инактивация развивается существенно

медленней,

чем

активация. Поэтому

следует

предположить,

что

скорости реакций

/// и IV (см. рис. 4.27)

малы

по

сравнению

со

скоростями реакций

/ и //, т. е.

k-i, k

/J_

»fe

*-з, К k-

(4.73)

Поэтому

r/o > «о и y(t)

имеет

вид

кривой

а (см. рис.

4.28).

Если

бы

мы

отказались

от

принятого адиабатического приближения,

то кривая

y(t)

имела

бы

второй перегиб

при t<t*

(кривая

на

рис. 4.28, ср. рис.

4.26).

Максимальное значение

равно

„

Уо + Гг

(Уоо

—

о)

Г j/o + П (ура - у

) г

уЛп-гг)

У~ 7

LУо

(у

-у

)

7TJ '

При

выполнении условий

(4.73)

находим

из

(4.71)

Са

Следовательно,

|rj|

|г

п/(п

~ г

) » 1 и

формула

(4.74)

сильно

упрощается:

г/max

«г/о

— —

£о.

(4.76)

Подставляя

(4.76)

значение

из

(4.70),

получаем

конечном

счете

пределе

-*0

exp

Последняя формула совпадает

(4.60). Начальное значение

может отличаться

от 0, оно

зависит

от

исходного состояния

мембраны. Стационарное значение

«о.

получаемое

из

(4.70)

при

у = й = 0,

равно

« (

479

)

Kip соответствует мембране,

на

которой достаточно долго сохра-

нялся

предварительный потенциал

ср

Введем отношение

202 ГЛ. 4. НЕРВНЫЙ ИМПУЛЬС

Его значение для стационарного н

exp

Эмпирическая

зависимость, найденная Ходжкином и Хаксли,

имеет вид

где фр — эмпирическое значение cp

, отвечающее w = 0,5 (вели-

чины

и фр в мВ).

Как

мы видели га ж 3,5,

RT/&~

ж 25 мВ. Коэффициент при

в теоретической формуле (4.80), определяющий форму кри-

вой

аУоо(фр), действительно равен za&~/RT =

3,5/25

мВ.

Фактор

ехр(— Ф^/7) в эмпирической формуле задает положение

кривой

Доос(фр) относительно оси ф

. Сравнивая

(4.80)

и (4.81),

находим

Положение

кривой стационарной инактивации зависит от сс

Если

ccaKi

3> 1, то должно быть

c^l exp (za.y

9~lRT) — const.

Это значит, что е-кратное увеличение сс

может быть скомпен-

сировано

уменьшением ф

на величину Дф

= RT\zaSF =s 7 мВ.

Опыт

дает

Дф

= 6,3 — 7,8 мВ [75].

Рассмотрим теперь развитие процесса инактивации во вре-

мени.

Если мембрана выдерживалась при потенциале ф

недо-

статочно долго, то и

в выражении w = 1 —щ зависит от дли-

тельности предварительного импульса, u

= u(t

). При t

= 0

мембрана находится в состоянии покоя (соответствующие вели-

чины

снабжаются верхним индексом нуль). Из

(4.72)

и значений

, Ь

, с

следует

учетом

малости начальной скорости изме-

нения

)

= и

(«„

)

[ехр

(- |

)

- ^

ехр

(- | г, |

)]

(4.82)

и,

так как | r

1 <C

/"i |, то

и (t

) ж «„ + (и

- ы

) ехр (— | г

1 t

т. е.

ш«

1-Ыр-(и°-и

)ехр(-|г

|д.

Мы

видим, что если мембрана до подачи тестового потенциала

была гиперполяризована, т.е. и

< и°, то пиковый Na-ток ра-

4.4.

АКТИВАЦИЯ

ИНАКТИВАЦИЯ НАТРИЕВОЙ ПРОВОДИМОСТИ

203

стет

экспоненциально с ростом /

; если же и

> и

(деполяри-

зация),

то он экспоненциально

убывает

(рис.

4.29).

Именно та-

кой

ход экспериментальных инактивационных кривых наблю-

дался в работе [79]. В этой работе вводится величина тл, равная

излагаемой теории

l^l"

Расчет

дает

i-l

или,

согласно (4.79),

I t —

(4.83)

(4.84)

Теория

Ходжкина — Хаксли (см. стр. 177)

дает

где к — константа скорости

выхода

из инактивированного со-

стояния.

Знаменатель теоретиче-

ской

формулы

(4.84)

имеет тот же -^

смысл. В теории Ходжкина — Хакс- ™

ли

зависимость параметров от Ф

подбирается искусственно с целью

получения согласия с опытом; в из-

лагаемой теории эта зависимость

имеет непосредственное физическое

содержание. Напишем (ср. (4.69))

= v

exp (—

za(p&~/2RT),

k-4

= v_4 exp

(zay&'fiRT).

><?

Рис.

4.29. Зависимость

пико-

вого

Na-тока

от длительности

предварительного

импульса —

потенциала

<р

<Ро

—

потенциал

покоя.

Как

уже сказано, предполагается,

что реакция смещена в сторону С,

т.е.

&_з/&з

*С 1. При малых й_

знаменатель в

(4.84)

приблизи-

тельно равен (tp измеряется в милливольтах)

Опыт

дает

х = 0,07 ехр(—

<р/20).

Согласно теоретической формуле

(4.83)

(ф) представляется

произведением

двух

противоположно направленных 5-образных

кривых, т.е.

ТЛ(Ф)

имеет колоколообразную форму. При

ф—»—оо

Xh~*0,

при

ф—•

оо тл-^^з""

. Такую же форму имеет экспери-

ментальная кривая.

Согласно (4.83), максимум кривой т^(ф) смещается в сторону

больших ф с увеличением сс

- Именно такое влияние Са

на ве-

личину т/, наблюдалось в работе [75].

Таким

образом, описанные кинетические модели действи-

тельно

дают

количественное описание большой совокупности

204 ГЛ. 4.

НЕРВНЫЙ

ИМПУЛЬС

явлений,

наблюдаемых при генерации потенциала действия —

при

активации и инактивации мембраны. Вскрывается взаимо-

связь

различных явлений. Излол-енная теория согласуется с

экспериментальными

фактами. Основная ее идея состоит в том,

что переходы А

+±

В и S ^ С связаны со структурными превра-

щениями

мембраны. Основной параметр теории — величина га.

Опыт показывает, что при изменении проводимости мембраны

аксона,

при ее возбуждении, происходят структурные изменения.

В работах [76, 80] наблюдались изменения рассеяния света.

Тасаки

и сотрудники наблюдали изменения флуоресценции [77],

Берестовский

и др.— изменение двулучепреломления мембраны

аксона,

вызванное появлением потенциала действия [81].

Прямые

доказательства перемещения заряженных частиц,

входящих в

структуру

мембраны, под действием поля были по-

лучены впервые Армстронгом и Безанилья, а затем изучены ими

другими исследователями более подробно [82, 83, 97].

При

смещении мембранного потенциала в положительную

сторону наблюдается изменение проводимости, при смещении в

отрицательную сторону изменения нет. Следовательно, имеются

«активационные

ворота»

— это свойство мембран нелинейно. Для

нахождения реального тока заряженных частиц необходимо, во-

первых, выделить нелинейные компоненты мембранного тока, и,

во-вторых, связать их с процессом активации.

Чтобы обнаружить малый компонент трансмембранного тока,

необходимо исключить мощные ионные токи, основную часть

которых составляют токи Na

и К

. В цитированных работах

эти

ионные токи подавлялись путем замены проникающих ионов

непроникающими.

Ионы

в наружном растворе заменялись

ионами

трис(оксиметил)метиламмония, а ионы К

— ионами Cs

Использовался

также эффект Коля и Мура [97], позволяющий

существенно замедлить развитие К-тока с помощью большой

предварительной гиперполяризации мембраны.

Для устранения линейных токов утечки и емкостных токов

применен

метод алгебраического сложения сигналов, получен-

ных от

двух

скачков потенциалов, равных по величине, но проти-

воположных по знаку. Получающиеся суммарные токи очень

малы. Поэтому для улучшения соотношения «сигнал —

шум»

применялась

техника суммирования сигналов. Суммировались

усреднялись ответы от сотен и

даже

тысяч пар сигналов.

Каков

источник зарегистрированных таким методом токов?

Армстронг и Безанилья подробно доказывают, что это не токи

ионов,

приходящих из раствора. Следовательно, это токи сме-

щения

зарядов, являющихся структурной частью мембраны.

Кейнес

и Рохас [83] приводят следующие аргументы в пользу

того, что наблюдаемые токи являются токами смещения: 1) сум-

марный

заряд, смещенный при включении деполяризующего по-

4.4. АКТИВАЦИЯ И ИНАКТИВАЦИЯ НАТРИЕВОЙ ПРОВОДИМОСТИ 205

тенциала, с большой точностью равен суммарному заряду, сме-

щенному при снятии деполяризации; 2) смещенный заряд, воз-

растая с увеличением приложенного потенциала, достигает пре-

дельной величины при достаточно больших импульсах; 3)

пони-

жение температуры не меняет полного заряда, перенесенного при

прохождении импульса данной величины, хотя константа вре-

мени

имеет большой температурный коэффициент.

Идентификация

несимметричных токов смещения с процес-

сами, управляющими развитием Na-тока,

требует

детального и

разностороннего изучения свойств этих токов. В пользу связи

между

обоими процессами говорит близость их временных кон-

стант

(200—400

мкс). В аксонах, не дающих Na-тока («dead

axon pattern»), не наблюдаются и асимметричные токи смеще-

ния.

Внутренняя перфузия ЮМ раствором ZnCb обратимо по-

давляет Na-ток и несимметричный ток смещения. Ряд

других

свойств, по которым можно идентифицировать эти процессы,

является в настоящее время предметом дискуссии. Требуются

дальнейшие исследования, чтобы установить, каков механизм

участия зарядов, дающих несимметричные токи смещения, в из-

менениях Na-проводимости.

Процессы,

определяющие изменения Na-проводимости, изу-

чаются также на основе исследования влияния на нее различных

ионов.

Выше рассмотрено влияние Са

и Н

(см. стр. 196).

Ионообменные процессы, как уже не раз указывалось, весьма

существенны для поведения мембран. Эдельман и Палти изу-

чали влияние ионов К

в окружающем растворе на инактивацию

№

-проводимости [84]. Параметр инактивации w

убывает

с ро-

стом концентрации К

, временная постоянная x

возрастает. Эти

другие

явления также удается объяснить на основе кинетиче-

ской

модели, учитывающей ионный обмен [70]. Модель предпо-

лагает, что центры, определяющие мембранную проводимость,

могут

существовать в

двух

состояниях. При переходе из одного

состояния в

другое

производится работа заряда в электрическом

поле. Одно из этих состояний (S) стабилизируется ионами Са

При

их замене ионами Na

или К.

центр приобретает способ-

ность к быстрому

переходу

другое

состояние, что приводит к

высокой Na-проводимости, если ионы Na

связаны с этим цент-

ром. Связывание К

переводит центр в состояние инактивиро-

ванной

Na-проводимости.

Сходная схема может объяснить действие

других

ионов

на

gNa, в частности, ингибирующее действие яда — тетро-

дотоксина.

Кинетические модели не

дают,

конечно, полного молекуляр-

ного истолкования обсуждаемых явлений. Здесь необходима

дальнейшая экспериментальная работа, раскрытие тонких коли-

чественных закономерностей. Но можно считать установленным

206

ГЛ. 4.

НЕРВНЫЙ ИМПУЛЬС

что в соответствии с развиваемыми представлениями о конфор-

мационных свойствах мембран (см. § 3.8), их функциональные

участки переходят из одних состояний в

другие

и эти переходы

зависят от внешнего поля и ионного окружения.

Физика

нервного импульса изложена также в обзоре [98].

4.5.

СИНАПТИЧЕСКАЯ

ПЕРЕДАЧА

Когда импульс достигает окончания нервного волокна, он

должен либо произвести свое действие, скажем, в нервно-мы-

шечном (мионевральном) соединении, индуцируя мышечное со-

кращение,

либо перейти на

другое

нервное волокно. И в том и в

другом

случае

реализуется синаптическая передача импульса с

одной клетки на

другую.

Синапс представляет собой функцио-

нальный контакт

двух

возбудимых клеток, каждая из которых

заключена в отдельную мембрану.

Современная биология располагает богатой цитологической,

биохимической и физиологической информацией о синаптиче-

ской

передаче. Эти данные изложены, в частности, в монографии

Катца [5] и в обзоре [85]. Они пока недостаточны для построе-

ния

молекулярной физической теории соответствующих явлений,

но

позволяют наметить пути ее развития.

Расстояние

между

пресинаптической и постсинаптической

мембранами,

синаптическая

щель,

может достигать

150—200

А.

В мионевральном соединении разрыв еще больше — до

500—

1000 А. Вместе с тем

существуют

синапсы с сильно сближен-

ными

даже

сливающимися пресинаптической и постсинапти-

ческой мембранами. Соответственно реализуются два типа пе-

редачи импульса — при больших щелях передача имеет химиче-

ский

характер, при тесном контакте возможно прямое электри-

ческое взаимодействие. Здесь мы рассмотрим химическую пе-

редачу.

При

химической передаче электрический импульс, дошедший

до окончания волокна, включает специфический химический ме-

ханизм, усиливающий электрический сигнал. Такой механизм

состоит в освобождении некоторого химического вещества, ме-

диатора,

синтезируемого и запасаемого в нервных окончаниях,

в его рецепции специфическими центрами постсинаптической

мембраны и, как

результат

этой рецепции, изменении ее про-

ницаемости, вследствие чего появляется новый импульс.

Установлено, что медиатором служит прежде всего ацетил-

холин (АХ)

С—N

—СН

—О—СО—СН

НзС./

а также

другие

родственные соединения (карбахол, сукцинил-

4.5. СИНАПТИЧЕСКАЯ ПЕРЕДАЧА 207

холин, допамин, -у-аминомасляная и глутаминовая кислоты, гли-

цин

и т. д.). Роль ацетилхолина была открыта еще в 1921 г.

Лёви [86].

было показано, что АХ концентрируется в пу-

зырьках пресинаптических окончаний [87].

Пресинаптический

механизм представляет собой нейросекре-

цию,

т. е. освобождение АХ из пузырьков под действием нерв-

ного импульса. Оценка числа молекул АХ, выделяемых на один

импульс,

дает

несколько миллионов [88].

В постсинаптической мембране мионеврального соединения

установлена высокая концентрация ацетилхолинэстеразы

(АХЭ) — фермента, катализирующего гидролиз АХ. Было выска-

зано

предположение, что АХЭ и представляет собой вещество-

рецептор [89]. АХЭ, выделенная из

Electrophorus

electricus,

имеет

молекулярный вес 260 000 и состоит из

четырех

одинаковых

субъединиц [90]. Шанжё и соавторы рассматривают АХЭ как

аллостерический фермент, содержащий каталитические и

регу-

ляторные центры. Предполагается, что в рецепторной мембране

присутствует

система, состоящая из макромолекулярного рецеп-

тора АХ, способного узнавать ацетилхолин и влиять на селек-

тивный

транспорт катионов, стимулированный связыванием АХ.

Эти две сопряженные функции

могут

переноситься одной и той

же макромолекулой АХЭ, но выполняются разными липопро-

теидными системами [91].

Де Робертису

удалось

строго показать, что рецепторным ве-

ществом является не АХЭ, но специальный протеолипид, в кото-

ром имеется гидрофобный белок [85]. Этот белок был выделен

из

мембран нервных окончаний. Он имеет большое сродство к

АХ и к

другим

холинэргическим веществам. Де Робертис пред-

ложил модель постсинаптической мембраны, основанную на изу-

ченных свойствах рецепторного вещества (рис.

4.30).

В мем-

брану включены дискретные рецепторные области. Белок-рецеп-

тор,

имеющий гидрофобную поверхность, проходит сквозь липид-

ные

слои мембраны и создает в ней каналы. Стенки канала

образованы четырьмя параллельными молекулами белка. АХЭ

присутствует

как отдельная молекула. АХ присоединяется к ак-

тивному центру рецепторного белка, расположенному на его

внешней

поверхности. В

результате

присоединения — сильного

ионного

взаимодействия — происходят конформационные и

трансляционные

превращения в мембране, приводящие к изме-

нениям

ее ионной проницаемости.

работах

Де Робертиса получены предварительные резуль-

таты по созданию работающей модели постсинаптической мем-

браны

путем

включения выделенного белка-рецептора в искус-

ственную

двуслойную

липидную мембрану.

Роль

АХЭ состоит в основном в гидролизе АХ. Если бы АХ

не

гидролизовался, он блокировал бы АХЭ и синапгическая

208

ГЛ.

НЕРВНЫЙ

ИМПУЛЬС

передача прекратилась

бы. Так

действуют

конкурентные инги-

биторы

АХЭ, в

частности растительный

яд

кураре

другие

алкалоиды. Соответственно блокируется иннервация мышц.

Область

рецепции

АХ

,-•,

Канал

Рис.

4.30.

Схема возможной макромолекулярной организации постсинапти-

ческой мембраны

по Де

Робертису.

ПЛ—молекулы протеолипида,

ФИ —

молекулы фосфатидилинозитола.

Общая картина процессов, происходящих

при

мионевральной

передаче, может быть, согласно Катцу, представлена схемой,

показанной

на рис. 4.31 [5].

Лреештттюестя

СинаттесШ Лостшипттесш

область

щели.

области.

СинтезАХ

//скопление

w/юе

АХЭ/

-—Гидролиз

Местное

веЯсмие'

Рис.

4.31.

Схема мионевральной передачи.

Экспериментально показано,

что

медиатор

— АХ —

действи-

тельно повышает проницаемость концевой пластины мионевраль-

4.5. СИНАПТИЧЕСКАЯ ПЕРЕДАЧА 209

ного соединения для ионов Na

и К

одновременно и в одинако-

вой

степени. На проницаемость к ионам О АХ не влияет [92].

Другие

количественные характеристики мионеврального соеди-

нения

приведены в монографии Катца [5], который указывает,

что «по своему электрическому эффекту воздействие пере-

датчика поистине эквивалентно кратковременному

«проколу»

мембраны».

Вернемся в пресинаптическую область. Имеются данные, по-

казывающие, что выделение небольших порций АХ происходит

в покое, независимо от нервного импульса. Импульс очень

сильно

повышает эту активность за время порядка 1 мс.

Уста-

новлено,

что спонтанная нейросекреция не обусловлена утечкой

АХ из нервных окончаний путем случайной диффузии. Спонтан-

ная

нейросекреция есть спонтанное квантованное освобождение

АХ, «при котором сконцентрированные порции АХ выделяются

случайные моменты времени по типу

«все

или ничего» из

дискретных точек концевой мембраны аксона» [5]. Величина

«кванта АХ» не зависит от изменений мембраны, связанных с

нервным

импульсом. Импульс изменяет в сотни тысяч раз ве-

роятность выделения кванта. Потенциал постсинаптической

мембраны, возникающий под влиянием нервного импульса, сла-

гается из большого числа «миниатюрных потенциалов», созда-

ваемых отдельными порциями, квантами, АХ. Число квантов,

участвующих

в реакции в одном мионевральном соединении, за-

висит от присутствия ионов Са

и Mg

. Ca

стимулирует се-

крецию

АХ, Mg

— ее ингибирует.

Бойд

и Мартин [93] (ср. [5]) провели статистический анализ

реакции

концевой пластинки — постсинапгического участка мио-

неврального соединения. Это оказалось возможным благодаря

сильному понижению количества АХ, выделяемого при одном

импульсе, вызванному уменьшением концентрации Са

в среде.

Удалось доказать, что каждая реакция на импульс слагается из

целого числа «квантов АХ», и освобождение одного

«кванта»

есть событие с очень малой вероятностью /? <С 1. Всего наблю-

далось 198 импульсов. Число случаев, в которых освобождается

х порций АХ, должно выражаться законом Пуассона

где х = 0, 1, 2 ... — число порций АХ, т — среднее число пор-

ций,

освобождаемых одним импульсом. В изученной системе

__ Средняя амплитуда реакции

0,933

мВ „ оо

171

Средняя амплитуда спонтанных 0,4 мВ '

потенциалов

210 ГЛ. 4.

НЕРВНЫЙ

ИМПУЛЬС

Совпадение вычисленных и наблюдавшихся значений р

оказа-

лось превосходным. В частности, согласно закону Пуассона

= n

//V = ехр (— т),

где п

— число реакций, в которых освобождается 0 порций, рав-

ное

в рассматриваемой серии 18, N — полное число импульсов.

Имеем

= In

(N/ito)

= In

(198/18)

= 2,4

вместо опытного значения 2,33.

Мы

не касаемся здесь множества важных физиологических,

фармакологических и медицинских проблем, связанных с синап-

тической передачей (см. [5, 85, 94]).

Очевидно, что нейросекреция и химическая рецепция в пост-

синаптической

мембране ставят ряд вопросов перед биофизикой.

«Квантование» выделяемого АХ заставляет

думать,

что нейро-

секреция

представляет собой кооперативный молекулярный про-

цесс,

к рассмотрению которого можно подойти на основе элект-

ронно-конформационных

взаимодействий. Те же идеи

могут

ока-

заться полезными для понимания сущности возникновения

нового импульса в ответ на воздействие медиатора. Построение

соответствующих кинетических моделей — задача вполне реаль-

ная,

но мы располагаем пока слишком скудной эксперименталь-

ной

информацией о молекулярной

структуре

систем,

участвую-

щих в синапсах.

Проблемы синаптической передачи непосредственно связаны

с исследованиями нейронных сетей, посредством которых моде-

лируется высшая нервная деятельность. Рассмотрение этих во-

просов выходит за рамки книги. Существующие модели имеют

математический, но не физический характер, так как мы не рас-

полагаем еще достаточными знаниями о явлениях высшей нерв-

ной

деятельности (см. монографию [95]).