Роль кальция в возбуждении клетки

План Кальциевые потенциалы де йствия Ионы кальция и возбудимость Свойства канала, связанные с потенциалом дейс твия Выводы Кальциевые потенциалы действия В мембран е нервов и мышечных волокон содержится большое количество потенциалза висимых кальциевых каналов. Кальций, входящий в клетку через эти каналы во время потенциала действия, оказывает влияние на самые разные процесс ы. К примеру, кратковременное увеличение уровня кальция в ходе потенциал а действия вызывает секрецию как секрецию химических медиаторов в нерв ном окончании, так и сокращение мышечного волокна. В некоторых мышечных волокнах и нейронах кальциевые токи достигают так ой величины, что либо вносят значительный вклад, либо полностью формирую т фазу роста потенциала действия. Процесс этот носит регенеративный хар актер благодаря возрастанию g Са при деполяризации, точно такому, как у натриевых каналов (см. в ыше). Участие кальциевых каналов в потенциале действия было впервые изуч ено Фаттом и Гинзборгом, а впоследствии Хагиварой. Кальциевые потенциал ы действия описаны в сердечной мышце, в целом ряде нейронов беспозвоночн ых, а также в нейронах вегетативной и центральной нервной системы позвон очных 60) . Наличие кальциевых потенциалов действия также показано в ненейрональных типах клеток, так их как ряд эндокринных клеток и некоторых яйцеклетках беспозвоночных. П отенциалзависимые кальциевые токи блокируются в миллимолярных концен трациях кобальтом, магнием или кадмием, добавленным во внеклеточный рас тв ор. Барий может заменить кальций в прохождении через п ору канала; магний на это не способен. Поразительным примером сосуществования натриевых и кальциевы х потенциалов действия в одном типе клеток является клетка Пуркинье в мо зжечке млекопитающих. Натриевые потенциалы действия генерируются в те ле клетки Пуркинье, в то время как кальциевые — в дендритах. Ионы кальция и возбудимость Ионы каль ция влияют также на возбудимость мембраны: снижение внеклеточной конце нтрации кальция приводит к увеличению возбудимости; повышение внеклет очного уровня кальция, напротив, влечет за собой снижение возбудимости. Франкенхаузер и Ходжкин использовали метод фиксации по тенциала для исследования этих эффектов в аксоне кальмара. Они обнаружи ли, что при снижении внеклеточной концентрации кальция происходит сдви г потенциал а зави симости активации натриевых каналов таким образом, что для достижения п орога и генерации натриевого тока нормальной величины требовались мен ьшие уровни деполяризации. Снижение уровня необходимой деполяризации было постоянным во всем диапазоне возбудимости и зависело от концентра ции кальция. Пятикратное повышение внеклеточного уровня кальция приво дило к снижению порогового уровня деполяризации на 10- 15 м В. Франкенхаузер и Ходжкин предположили, что этот эффект может быть обусло влен тем, что ионы кальция частично заслоняют (или экранируют) отрицател ьные заряды, расположенные на внешней поверхности мембраны. Подобное во здействие на мембрану может оказать, к примеру, гликолизация мембранных бел к ов последовательностями угл еводов, содержащими отрицательно заряженную сиаловую кислоту. Натриев ый канал ската сам по себе обладает более чем 100 остатками сиаловой кислот ы. При условии заслонения зарядов градиент потенциала на мембране будет равен измеряемому потенциалу покоя. После устранения кальция, заряды, ли шенные экранирования, увеличат отрицательный заряд на внешней стороне мембраны, тем самым сниж ая общий электрический градиен т . Эта гипотеза вносит новый ракурс в понимание мем бранного потенциала: разность потенциалов между внутри- и внеклеточным растворами определяется вне- и внутриклеточной концентрациями ионов, а также проводимостями. Однако, форма градиента потенциала может зависет ь от заряженных молекул, связанных с поверхностью мембраны. Для потенциа лчувствительных элементов мембраны этот эффект будет иметь огромное з начение, поскольку они распознают лишь те градиенты потенциала, которые находятся в непосредственной близости от них. Одна из проблем с гипотезой поверхностного заряда состоит в том, что уда ление внеклеточного кальция должно повлиять не только на активацию, но и на инактивацию натриевых каналов, а также на активацию калиевых. Снижен ие порога натриевой инактивации и калиевой активации приведет тогда к снижению возбудимости. В силу неизвестных при чин, влияние устранения кальция на эти параметры гораздо менее выражено, чем влияние на активацию натриевы х каналов. Возможно, это и не удивительно, что локальные изменения электр ического градиента оказывают столь разное влияние на различные молеку лы канала, или даже на разные участки одной и той же молекулы, в зависимост и от расположения потенциалчувствительного элемента относительно пов ерхностных зарядов. Какими бы ни были причины этих различий, общий эффек т кальция заключается в стабилизации мембраны и внесении дополнительн ой степени надежности при варьировании уровня потенциала мембраны меж ду покоем и порогом для потенциала действия. Рис. 1 . Влияние поверхностного заряда на мемб ранный потенциал. (А) Нейтрализация двухвалентными катионами отрицате льных зарядов в структуре мембраны. (В) Устранение экранирующих элементо в (например, кальция) изменяет распределение заряда и градиент потенциал ов на мембране, но не потенциал покоя. Вклад открытых кал иевых каналов в реполяризацию Кроме вып рямителя с задержкой, в нейронах имеется целый ряд других типов калиевых каналов некоторые из которых принимают участие в реполяризации мембра ны. Один из таких каналов — это Б -канал , быстро активируемый в рез ультате деполяризации. Вклад Б -каналов в реполяризацию в ходе потенциала действия миним ален по двум причинам: они быстро инактивируются, и в большинстве клеток активация этого типа каналов возможна лишь при условии предварительно й гиперполяризации (т. е. они инактивированы в состоянии покоя). Два других типа потенциалзависимых калиевых каналов, М-кана л и S-канал , похожи на выпрямитель с задержкой тем, что открываются в отве т на деполяризацию. Дополнительное свойство М-каналов состоит в том, что они инактивируются ацетилхолином через мускарин овые АХ рецепторы (отсюда название). S-каналы открыты в покое и инактивируются серотонином. Кальций-акт ивируемые калиевые каналы также могут вносить вклад в реполяризацию. В х оде потенциала действия кальций входит в клетку через потенциалзависи мые кальциевые каналы. Во многих типах клеток такое повышение уровня кал ьция способствует увеличению калиевой проводимости, которая способств ует реполяризации и приводит к последующей гиперполяризации. Существу ет как минимум три подтипа кальций-активируемых калиевых каналов, с очен ь большим (200 пСм), средним (30 пСм) и малым (10 пСм) уровнями проводимости. Наличи е этих каналов можно продемонстрировать экспериментально посредством повышения уровня кальция внутри клетки, например, путем инъекции через в нутриклеточную микропипетку. Вслед за такой инъекцией проводимость ме мбраны резко возрастает и мембранный потенциал покоя приближается к ка лиевому равновесному потенциалу. По мере устранения излишков кальция и з цитоплазмы за счет внутриклеточных буферов и выброса кальция из клетк и, сопротивление и потенциал возвращаются к своему нормальному уровню. С уществует также тип калиевых каналов, активируемый внутриклеточным на трием. В некоторых клетках активация таких каналов может вносить вклад в реполяризацию в ходе потенциала действия Свойства канала, связанные с потенциалом дейст вия В ходе экс периментов методом пэтч-кламп на крысиных мышечных волокнах в культуре, проводимость потенциалзависимых натриевых каналов была измерена непо средственно и составила 20 пСм (рис. 1 ); подобные измерения в мотонейронах крысы выявили проводимос ть величиной 14 пСм. Плотность натриевых каналов была измерена в ряде ткан ей методом исследования плотности мест связывания ТТХ. Используя мечен ый тритием тетродотоксин, Левинсон и Мевес определили, что на один квадр атный микрометр мембраны аксона кальмара приходится приблизительно 553 м еста связывания молекулы токсина. Цифры, полученные в других тканях, вар ьируют от 2 молекул на мкм 2 в о птическом нерве новорожденных крысят до 2 000 в перехвате Ранвье седалищного нерва кролика. Плотность натриевых каналов в скелетной мышце была измерена методом локальной де поляризации небольшого участка мембраны с помощью внеклеточной пипетк и при одновременном измерении натриевого тока, протекающего через этот участок мембраны. Результаты варьировали от одного участка к другому, чт о указывает на неравномерность распределения каналов в мембране. Плотн ость была наибольшей в районе концевой пластинки, снижалась по мере удал ения от нее и достигала 10 % от максимального уровня по мере приближения к с ухожилию. Кроме того, было показано, что натриевые каналы в мышце группир уются в кластеры. Проводимость калиевых каналов, ответственных за позднюю составляющую тока, была измерена в препарате вскрытого аксона кальмара. Каналы типа « выпрямитель с задержкой» обладают проводимостью 10, 20 и 40 пСм, причем наибол ее часто встречается канал с проводимостью 20 пСм. Подобно натриевым, кали евые каналы мышцы лягушки распределены не равномерно, а кластерами. , паттерны расположения кластеров натриевых и калиевых каналов не совпадают между собой. Выпрямители с задержкой полностью отсутствую т в перехватах Ранвье миелинизированного нерва кролика, так как в ответ на деполяризацию поздний выходящий ток не возникает. В ходе потенциала д ействия реполяризация после быстрой инактивации натриевых каналов дос тигается за счет большого тока утечки. Выводы Потенциал действия в большинстве клеток возникает за счет кратковременного возр астания натриевой проводимости, которое стремится привести мембранный потенциал к уровню натриевого равновесного потенциала и за которым сле дует увеличение калиевой проводимости, возвращающее мембрану в состоя ние покоя. Возрастание проводимостей возник ает благодаря потенциалзависимости натриевых и калиевых каналов: веро ятность их открытия возрастает при деполяризации. Эксперименты на аксоне кальмара с фиксацией потенциала предоставили д етальную информацию о потенциалзависимости и временном ходе изменений проводимостей. При деполяризации мембраны натриевая проводимость сна чала быстро активируется, а затем инактивируется. Калиевая проводимост ь активируется с задержкой и остается на высоком уровне до тех пор, пока н е кончится деполяризация. Временной ход и потенциалзависимость изменений натриевых и калиевых п роводимостей в точности определяют амплитуду и временной ход потенциа ла действия, а также такие характеристики мембраны, как порог активации и рефрактерный период. Теоретически активация натриевой и калиевой проводимостей при деполяр изации должна быть связана со смещением заряда внутри клетки. Эти смещен ия, называемые воротными токами, удалось измерить экспериментально. Эксперименты с использованием метода пэтч-кламп дополнили сведения, по лученные в более ранних опытах с фиксацией потенциала, новыми деталями о процессе возбуждения. Так, например, натриевые каналы открываются на до вольно короткое время, и вероятность их открытия в ходе деполяризации сн ачала возрастает, а затем снижается, в соответствии с активацией и инакт ивацией натриевой проводимости в целой клетке. Различные кинетические модели были предложены с целью описания процессов активации и инактива ции каналов. Кальций игр ает важную роль в возбуждении. В некоторых клетках именно вход кальция, а не натрия, отвечает за фазу роста потенциала действия. Кроме того, внекле точный уровень кальция определяет возбудимость мембраны. Снижение вне клеточной концентрации кальция приводит к увеличению возбудимости Литература 1. Фролов М.В., Мило ванова Г. Б. Электрофизиологические помехи и контро ль состояния оператора. 2. Системные аспекты психической д ея тельности. Под ред. Судакова К. В. и др. 3. Терлецки й Н. А. О пользе и вреде излучения для жизни. (Relata Refero.)