Экстренная медицина

Согласно общепринятой модели Даниэлли —Дэвсона, мем­брана состоит из гидрофильного и гидрофобного фосфолипид-ных слоев. Поверх наружного фосфолипидного слоя располо­жен надмембранный слой, состоящий из отрицательно заря­женных гликопротеидов. Гликопротеиды связывают катионы внеклеточного пространства — Са2+ и Mg2+, которые играют важную роль в регулировании мембранных токов и физиологи­ческой активности клетки. Изнутри к плазматической мембра­не примыкает белковый, подмембранный слой. Таким образом, клеточная мембрана при субмикроскопической толщине (10 — 20 нм) имеет сложную, трехслойную структуру (рис.1). Новые данные позволяют предполагать, что протеидные комплексы не растянуты по поверхности фосфолипидных слоев, а встроены в них в глобулярной форме.

Рис.  1. Модели молекулярного строения биологических мембран: А — Е — двухслойные липидные структуры: А — белок в р-форме; Б — a-спираль; В — глобулярный белок; Г — асимметрия в расположении белка; Д — канальцы и поры, пронизывающие белковые слои; Е — белок внутри двойного слоя липидов. Ж — К — глобулярная организация: Ж — липидные мицеллы с a-белком; И — липидные мицеллы с глобулярным белком; 3, К — превращение глобулярной организации в двухслойную (по Э. Робертн-су, В. Новинскому, Ф. Саэсу,   1973)

Сложность строения мембраны является необходимым усло­вием выполнения многочисленных функций и сохранения жиз­недеятельности клетки (передача сигналов из внеклеточной среды в клетку, перенос веществ через мембрану). Сигналы из внеклеточной среды передаются внутрь клетки путем измене­ния формы (конформации) внутримембранных белков. Роль молекулярного переключателя сигналов от поверхности внутрь клетки выполняют и липиды мембраны.

Конформационные изменения мембраны воздействуют на внутриклеточные процессы обмена веществ при посредстве цепи передатчиков — биологически активных веществ, синте­зируемых предстательной железой, почками и другими органа­ми. Они регулируют меру влияния гормонов в зависимости от текущих потребностей клетки.

Перенос веществ через клеточные мембраны осуществляет­ся как пассивно (по градиенту концентрации), без затраты энергии, так и активно, с затратой энергии (против концентра­ционного градиента). Активный перенос осуществляется при помощи ионных насосов, важнейшей составной частью кото­рых являются ферменты клеточных мембран — ионофоры.

В условиях физиологического покоя ионный насос откачи­вает из клетки ионы Na+. Переносчики ионов Na+ активируются адено-зинтрифосфорной кислотой (АТФ). Около 20% энерге­тических   ресурсов клетки затрачивается на эту работу.

Активный перенос приводит к избирательному накоплению клетками некоторых веществ при очень низких концентрациях их в тканевой жидкости. Наглядный пример этой избиратель­ности — накопление иода щитовидной железой: концентрация иода в щитовидной железе в сотни раз превышает его содержа­ние   в окружающей среде.

Важнейшей функцией клеточной мембраны является ее участие в формировании электрического потенциала клетки.

В состоянии относительного покоя наружный потенциал на всей мембране клетки одинаков. Однако в силу разной прони­цаемости мембраны для ионов Na+ и К+ между наружной и внутренней сторонами мембраны образуется разность потенци­алов. Ионы Na+ непрерывно выводятся из клетки при помощи калий-натриевого насоса. Одновременно они диффундируют и внутрь клетки.

Ионы К+ в условиях физиологического покоя переходят из цитоплазмы на поверхность мембраны по градиенту концен­трации (концентрация ионов К+ внутри клетки составляет 140 ммоль/л против 5 ммоль/л на ее поверхности). На наруж­ной поверхности мембраны создается избыток положительных ионов. Внутри клетки, напротив, накапливается избыток круп­ных молекул органических анионов, лишенных связи с их нейтрализаторами — катионами К+.

Формы проявления электрической активности

Неравномерное распределение ионов между внутренним и наружным слоями мембраны в покоящейся клетке обусловли­вает постоянный электрический заряд — потенциал покоя. Величина его колеблется от 50 до 100 мВ. В поддержании потенциала покоя главную роль играют К+. В возникновении потенциала действия решающая роль принадлежит ионам Na+. При раздражении клетки на поверхности клеточной мембраны происходят сложные физико-химические изменения, которые приводят к увеличению ее проницаемости для ионов Na+.

Переход ионов Na+ внутрь клетки по градиенту концентра­ции приводит сначала к исчезновению потенциала покоя, а за­тем к реверсии — перезарядке мембраны. Поток ионов К+ из клетки наружу  не  может существенно изменить стремительно идущий процесс деполяризации так как ионы Na+ в состоянии возбуждения переходят внутрь клетки в 20 раз быстрее, чем в состоянии покоя, а выведение ионов К+ увеличивается пример­но в 9 раз. Полагают, что увеличение проницаемости мембраны для ионов Na+ при возбуждении обусловлено открытием кана­лов в глобулярных белках, встроенных в мембрану. В поляри­зованной мембране клетки, находящейся в состоянии физиоло­гического покоя, натриевые (так называемые быстрые) ворота каналов закрыты. При деполяризации мембраны они открыва­ются. До наступления критического уровня деполяризации и быстрые и медленные ворота поддерживают слабый поток ионов Na+ внутрь, ионов К+ — наружу.

Деполяризация нарастает лавинообразно: в начале действия раздражителя ионная проницаемость мембраны меняется не­значительно. Поток ионов К+ из клетки превышает поток ионов Na+ в нее. Суммарный ионный поток направлен при этом наружу. При продолжающемся действии раздражителя увеличивается проницаемость мембраны для ионов Na+. Сум­марный ионный поток оказывается направленным внутрь клет­ки. С этого момента местный потенциал перерастает в волно­вой   потенциал действия (рис.3).

Рис.З.   Механизм возникновения потенциала действия: А — увеличение проницаемости для ионов Na+ и К*; Б — переход ионов     через мембрану      во      время      потенциала      действия

Потенциал действия является информативным показателем жизнедеятельности клетки. Для некоторых органов он приоб­рел характерные параметры, имеющие диагностическое значе­ние (например, электрокардиограмма сердца). Теория, объяс­няющая происхождение электрических потенциалов за счет пе­рекачки ионов Na+ и К+ и изменениях их концентрации по обе стороны мембраны, получила название мембранной. Существу­ют и другие концепции происхождения биотоков (сорбцион-ная, теория редокс-потенциалов и др.). Однако к настоящему времени они имеют не более чем исторический интерес.

В рамках мембранной теории могут получить объяснение изменения возбудимости при формировании волны возбужде­ния. Местные изменения электрической активности, предшес­твующие формированию волны возбуждения, являются резуль­татом увеличения проницаемости мембраны для ионов Na+. Уравновешивание ионных потоков К+ и Na+ при продолжаю­щемся раздражении сменяется скачкообразным увеличением проницаемости клеточной мембраны для ионов Na+ (критичес­кий уровень деполяризации). Суммарный ионный поток оказы­вается направленным внутрь клетки.

Стремительная деполяризация мембраны ведет к падению возбудимости. Поток ионов Na+ внутрь клетки на пике потен­циала действия достигает максимума, а затем круто падает. В период быстрого нарастания и крутого спада пикового потен­циала характеризуется полной невозбудимостью (абсолютная рефрактерность). Продолжительность этой фазы в нервных во­локнах составляет около 0,004 с, в сердечной мышце — до 0,3 с.

Восстановление исходного уровня электрической активнос­ти клетки (реполяризация) происходит в результате натриевой инактивации (снижения проницаемости клеточной мембраны для натрия) и усиление потока К+ наружу. Реполяризация идет сначала быстро, а затем сменяется медленными (следовыми) процессами. Различают отрицательный и положительный следо­вые потенциалы.

Начало развития следового отрицательного потенциала со­провождается неполным восстановлением возбудимости - - относительной рефрактерностью, за которой следует фаза нор­мальной и повышенной возбудимости — экзальтации (рис.4). Положительный следовой потенциал, следующий за отрицательным, сопровождается падением возбудимости до уровня ниже исходного. Продолжительность этого снижения совпадает с длительностью развития положительного следового потенциа­ла.

Рис. 4. Изменение возбудимости на разных этапах формирования волны возбуждения: А — схематическое изображение волны возбуждения: 1 — деполяризация; 2 — реполяризация; МП — мембранный потенциал; МК — критический уровень деполяризации; а — длительность порогового потенциала; б — длительность потенциала действия; в — следовой отрицательный потенциал. Б — изменение возбудимости: Уб — уровень возбудимости в покое; а — повышение возбуди­мости в период порогового потенциала; б — абсолютная невозбудимость; вг — относительная невозбудимость; в2 — повышение возбудимости в конце следового отрицательного потенциале (по Н.Н. Леонтьевой и др.)

Стремительное повышение ионной проницаемости для Na+ при деполяризации обусловлено открытием быстрых (актива-ционных) натриевых ворот. Инактивация, т.е. резкое сокраще­ние потока К+ из клетки, при этом обусловлена закрытием медленных калиевых ворот. Вслед за пиковым потенциалом быстрые ворота закрываются, обусловливая практически пол­ное прекращение натриевого потока.

Повышение возбудимости в фазе отрицательного следового потенциала является следствием восстановления проницаемос­ти клеточной мембраны для ионов Na+. На фоне повышенной возбудимости клетка может ответить очередным импульсом возбуждения на действия слабого по силе раздражителя.

Длительное возбуждение сопровождается падением возбудимости в результате снижения натриевой проницаемости. Од­новременно с этим повышается проницаемость мембраны для ионов К+. Эти изменения ионных потоков приводят к падению возбудимости. Подобные изменения мембранного потенциала лежат и в основе аккомодации — повышения пороговой чув­ствительности при длительном действии раздражителя.

Окончание процесса возбуждения и переход клетки в состо­яние физиологического покоя сопровождается включением ка­лий-натриевого насоса, перекачивающего ионы Na+ из клетки, а ионы К+ внутрь нее. Работа эта каждый раз выполняется с затратой энергии.

Изменение возбудимости при раздражении. Движение ион­ных потоков через клеточную мембрану обусловливает измене­ние возбудимости клетки, ее способность отвечать на раздра­жение. Для того, чтобы вызвать изменение возбудимости, раз­дражитель должен иметь определенную силу. Минимальная сила раздражителя, способная вызвать возбуждение, называется по­роговой. Возбудимая ткань отвечает на действие порогового раздражителя изменением электрической активности. В начале действия раздражителя эти изменения носят местный, неволно­вой характер.

Местный потенциал перерастает в волновой при достиже­нии критического уровня деполяризации. Однако и подпорого-вые агенты изменяют функциональное состояние возбудимых тканей. Если сила раздражающего агента достигает 50 — 75% от пороговой, то живая ткань отвечает на его действие незначи­тельным повышением возбудимости. Это — локальный, нево­лновой электрический ответ. Он не перерастает в потенциал действия.

Чем больше сила раздражителя, тем меньше требуется вре­мени для перехода от местной электронегативности к волново­му ответу. Зависимость между силой и длительностью раздражи­теля была изучена в конце XIX — начале XX в. Минимальная сила раздражителя, при которой возникает возбуждение, полу­чила название реобазы.

Время, необходимое для того, чтобы вызвать эффект воз­буждения, получило название полезного времени. При увеличении силы раздражителя сокращается время, в течение которо­го формируется ответ на раздражение. Минимальное время, в течение которого ток силой в две реобазы вызывает возбужде­ние, называется хронаксией. Зависимость между силой раздра­жителя и длительностью его действия имеет форму, близкую к равносторонней гиперболе.