Қоздырғыш клеткалардың биофизикасы

Бұл схема  бойынша ток біркелкі түрде тарағанда электротоникалық потенциалдың соңғы деңгейі, яғни амплитудасы мембрананың иондық токтарға кедергісіне (өткізгіштікке қарама - қарсы шама) пропорционал. Электротоникалық потенциалдың өсуінің жылдамдығы ең басында тек қана мембрана сыйымдылығымен анықталады, бұл кезде тек қана сыйымдылық тогы жүреді. Мембрана арқылы қарама - қарсы бағытталған иондардың ағыны басталған кезде потенциал экспонециалды түрде  өзгере бастайды. Ол өзгерудің көрсеткіші - t/τ, мұнда t- уақыт, ал τ - мембрананың уақыттағы тұрақты шамасы, ол қарсыласудың сыйымдылыққа көбейтіндісіне тең.

Созылған  жасушалардағы электрон.

Жүйке талшыңының диаметрі тек қана 1 мкм тең болғанына  қарамастан, ұзындығы 1 метрге дейін  жетуі мүмкін. Бұндай клетка арқылы өтетін ток біркелкі тарамайды. Соның  нәтижесінде мембраналық потенциалдың өзгерістері көршілес нүктелерде бірдей болмайды, ал бұл өзгерістердің уақыттағы  өзгерістерінің сипаты енді экспотенциалды емес, одан күрделі болады.

 

Мембраналық потенциалды тіркеу әдістері

Биопотенциалдарды зерттеуіндегі  прогресс келесі шарттармен белгіленген:

1) клетка ішіндегі потенциалдардың  микроэлектродты әдісінің өңдеуімен;

2) биопотенциалдардың арнайы күшейткіштерінің өңдеуімен;

3) ірі клеткаларды зерттеу үшін  сәтті объектілерді таңдау (кальмардың  өте ірі аксоны, диаметрі 0,5 мм).

Кальмардың өте ірі аксонына микроэлектрод енгізіледі (сурет 2). Екінші электрод - салыстыру электрод клетканың сыртқы үстілігінің манындағы  ерітіндіде орналасады. Тіркеуші құрылғы Р мембраналық потенциалды өлшейді.

Сурет1. Биопотенциалдарды өлшеуінің микроэлектродты әдісі:

а - шыны микропипетка; б - шыны микроэлектрод;

в - мембраналық  потенциалды тіркеу схемасы

Түрлі органеллалардағы мембраналарындағы потенциалды  өлшеу үшін келесі әдістер өңделген.

Нернстің теңдеуіне сәйкес иондардың  таралуы. Жүйеге мембрана арқылы өте алатын ионды қосады, ол сыртқы орта мен ішкі көлемде Нернстің теңдеуіне сәйкес тарайды. Бұл принципке сүйене отырып, молекулярлы зондар ретінде гидрофобты иондарды (ТФФ⁺ немесе ⁸⁶Rb-валиномицин) қолданады. Трансмембраналық потенциалды анықтау үшін везикула ішіндегі ионның концентрациясын білу керек, көптеген жағдайда ол қиын мәселе болып табылады.

Спин-белгіленген ЭПР-зондтар. Бұл мақсатпен бірнеше зондтар алынады - құрамында парамагнитті нитроксилды топ болатын, гидрофобты иондар. Мембранамен байланған зондтың концентрациясы ЭПР спектірінен табылады.

Оптикалық молекулярлы зондтар. Ең белгілі зондтар - мероцианиннің, оксонолдың туындылары және цианинді бояутыштар.

1.2. Тыным  потенциалының пайда болуының  молекулярлық механизмдері.

Тірі ұлпалардағы электір потенциалдың пайда болу механизмдері жайлы ұғымдардың негізінде Аррениустың электролитикалық теориясы және Гиббс пен Блумның гальваникалық элемент теориясы жатады. В.Ю. Чаговец (1896) және Окер-Блум (1901) бір-бінен тәуелсіз келесі болжауды ойлап шығарған: биоэлектрлік құбылыстар клеткалар қозған кездегі диффузиялық потенциалдардың пайда болуымен анықталады.

Освальд (1890 ж.) және Бернштейн бұл процесстер жайлы басқаша ойлаған.

Бұлшықтың тыным  потенциалының түрлі жағдайлардан тәуелдігін қарастырғанда, Нернстің концентрациялық  тізбектердің теориясына сәйкес, потенциал  абсолютты температураға пропорционалды екендігі көрсетілді.

Бірақ протоплазманың құрамына жоғары концентрациялы К⁺ және төмен концентрациялы Na⁺ мен Cl^- кіреді.

 

Иондардың протоплазмадағы қалпы

К⁺ иондары протоплазмада көбінесе бос қалыпта орналасады. Бернштейннің болжауы бойынша протоплазма - бұл иондардың бос ерітіндісі.

Бұл фактты 1953 жылы Ходжкин мен  Кейнос дәлелдеді. Олар ⁴²К қолданып, кальмардың өте ірі аксонында электір күштерінің әсерінің нәтижесінде клетка ішіндегі калий клетканың сыртындағы калий сияқты бос қалыпта болады. Қанқалық бұлщық еттің клеткаларында калий иондарының белсенділік коэффициенті қарапайым электролиттердің су ерітіндідегі сол иондардың белсенділік коэффициентіне жақын екендігі анықталған.

Натрий иондары үшін басқаша  нәтижеге келген. Түрлі клеткалардағы  натрий иондарының протоплазмадағы  белсенділік коэффициенттері клетканың  сыртындағы ерітіндімен салыстырғанда, екі есе төмен екендігі анықталған. Сонымен, Калий иондарының көбісі клеткада бос қалыпта болады, ал натрий жартылай байланған.

Ca²⁺ иондары толығымен байланған қалыпта болады (кальмардың аксонының аксоплазмасында 400 мкМ Ca⁺ -дің тек қана 0,3 мкМ иондық түрде болады).

 

Иондағы сырттағы концентрациясының өзгеруінің эффектілері

Бернштейннің  гипотезасы потенциалдардың трансмембраналық айырмасының K⁺ иондарның сыртқы және ішкі концентрацияларының ара қатынасының логарифмінен тәуелдігін болжаған.

Тыным қалыпта  мембрананың өткірлігі К⁺ үшін Na^.+-мен салыстырғанда жоғарылау болады. К⁺ аксоплазмадан сыртқа диффузиясының нәтижесінде жүйке талшықтың іші сыртқы ерітіндіге қарағанда теріс зарядталған. Ол тұрақты потенциалдардың айырмасы - тыным потенциалы (50-70 мВ). Егер де мембрана тек қана калий иондары үшін өткірлі болса, тепе-тең потенциалдардың айырмасы калийлік электроды үшін Нернсттың теңдеуімен анықталған мәнге жету шеді:

, (1).

мұнда - К⁺ үшін тепе-тең потенциал.

К⁺ қандағы концентрациясы 20 мМ ал кальмардың аксоплазмасында 400 мМ болғанда, есептелген мәні 75 мВ болады.

Расында да интакты аксондарда 70 мВ тең тыным  потенциалды тіркейді. Сондықтан  бұл жағдайда мембрана К⁺- электродқа ұқсайды.

Бірақ ондай  тәуелдік тек қана сырттағы калийдің концентрациясы жоғары болғанда (20 мМ астам) байқалады. [K] ₀ төмен болғанда -нің ln[K₀][K_i] тәуелдіктің қисық сызығы теориядан ауытқиды. Калийдің сыртқы концентрациялары қалыпты болған облысында бұл ауытқу аса жоғары екендігі байқалады.

Штейнбах  және Шпигельманның мәліметтері  бойынша (1943) бұл жағдайда кальмардың өте ірі аксондарында j_М шамасы 75 мВ болады, ал тыным потенциалы 50-70 мВ болады. Миелинді жүйке талшықтарында калий иондарының ішкі концентрациясы 120 мМ тең деп алынады. Егер де [К]₀ = 2,5 мМ болса бұл талшықтардың j_М шамасы 97,5 мВ тең болады. ¤лшенген тыным потенциалы 70 не 75 мВ тең болады.

Бұл ауытқулардың бәрін түсіндіру үшін Ходжкин және Катц келесі болжау ойлап шығарды. Қозатын құрылымдардың тыным потенциалы тек қана калийдің емес, онымен қатар натрийдің және хлордың тепе-тең потенциалдарымен анықталады.

Егер де Р_к шамасы Р_Na және Р_Сl шамаларынан едәуір жоғары болса, потенциал калийлік тепе-тең потенциалына жақын болады. Ал егер де мембрананың Р_Na жоғары болса, Na⁺ кіру ағыны күшейеді де трансмембраналық потенциалдардың айырмасы -ден төмендеу болады.

Сондықтан тыным потенциалының  ортадағы К⁺ концентрациясынан тәуелдігі Гольдманның тұрақты өрісінің теориясынан алынған Гольдманның теңдеуімен сипатталады:

  (2).

Тыным қалыпта  мембрананың біртекті учаскесінде  қосынды иондық тоқ келесі түрде  есептеледі:

,  (3).

Бірақ бұл  қалыпта Cl^- таралуы тепе-тең таралуға жақын болады, яғни хлордың клеткадан және клеткаға бағытталған ағындары тең болады. Бұл жағдайда нөльдік тоқтың шарты келесі түрге дейін жеңілдетіледі:

,  (4)

және тыным потенциалы келесі формуламен есептеледі:

  (5).

Теңдеуге  К⁺, Na⁺, Cl^- протоплазмадағы концентрацияларының белгілі мәндерін кіргізгенде Ходжкин және басқалар келесі тәуелдікке келді: теңіз толқынның ерітіндісінде орналасқан тыным қалыптағы өте ірі жүйке талшықтағы өткірлік константалардың ара қатынасы келесі түрде болады: Р_К:Р_Na:Р_Cl=1:0,04:0,45.

Бұл қатынастан келесі қорытынды шығады: тыным жағдйдағы мембранадағы потенциал К⁺ үшін тепе-тең потенциалға жақындайды, өйткені натриймен салыстырғанда калий үшін өткірлік коэффициенті едәуір жоғары (Р_К:Р_Na=1:0,04).

Концентрация 15 мМ-ден 150 мМ-ге дейін өскенде, мембрананың  күшті деполяризациясы пайда болады (сурет 3, А, қисық сызық 2). Бұл жағдайда Р_Na мен P_Cl -мен салыстырғанда Р_К едәуір жоғары өседі (Р_К:Р_Na:Р_Cl= 1:0,025: 0,3). [K]₀ төмен облысындағы тәжірибелік қисық сызықтың теориялық қисық сызықтан ауытқуы осы фактімен анықталады.

 

Қанқалық  бұлшықтың тыным потенциалы

Бірақ, мұндай қатынасты тек қана жүйке талшықтарды  сипаттау үшін қолдануға болады. Бұлшық еттің мембранасы өте жоғары хлордық  өткірлікпен сипатталады. Сондықтан  қанқалық бұлщықтардың тыным потенциалы тек қана калий иондарының концентрацияларының  градиентімен емес, сонымен бірге  хлор иондарымен анықталады.

Бойль және Конвей (1941) келесі болжау шығарды: қанқалық бұлшықтарда К⁺ және Cl^- иондарының клетка сыртындағы сұйықпен протоплазма арасындағы пассивті таралуы келесі ара қатынасқа бағынады:

  (6) - Доннан

Бұлшық клеткаларда, Na⁺, К⁺ - АТФ-азаның жұмысымен анықталатын, калийдің клетка мен орта арасындағы тепе-теңсіз таралуы мембраналық потенциалдың пайда болуына әкеледі. Ол потенциал хлордың «доннандық» таралуын қамтамасыз етеді.

Бұл потенциалдың шамасын келесі теңдеуден алуға  болады:

 және    (7).

Алынған шамаларды ( ) теңдеуге орнатқаннан кейін келесі өрнекті аламыз:

. (8)

Клеткадағы  ақуыздардың концентрациясының  реті 1 мМ, бір молекулаға келетін зарядтардың саны (n) 10-20 тең болады, ал қоршаған ортадағы электролиттердің концентрациясы 150 мМ жұық, яғни n[P_i]/с₀=0,1.

Математикадан білетініміз , егер де ол << 1, бұдан:

. (9)

Сонымен, доннандық  потенциал клеткадағы ақуыздардың концентрациясына тура пропорционалды, ал қоршаған электролиттің концентрациясына кері пропорционалды болады.

Бақаның бұлшығымен жүргізілген тәжірибелер (Adrian, 1956; Conway, 1957) және (Hodgkin, Horowitz, 1959a, b), тыным потенциалдарының өзгерістері концентрациялардың диапазоны [К]₀ > 10 мМ болғанда бұл теңдеуге сәйкес келеді, ал егер де [K]_i < 10 мМ болса теңдеу дәл келмейді.

Бойль және Конвейдің теориясы ([K]₀×[Cl]₀ көбейтіндісі тұрақты болса мембрана арқылы КСl-дың ешқандай жылжуы болмайды) сондай өтпелі эффектілерді түсіндіре алады. Расында да, К⁺ және Сl^- үшін өткір мембранада ×[Cl]₀ -дың бөлектенген төмендеуі мембрананы деполяризациялайды. Бірақ, ондай деполяризация тұрақты болмайды, өйткені [K]₀×[Cl]₀ көбейтіндісінің төмендеуі талшықтан КСl-дың диффузиясына және судың жоғалуына әкеледі. Нәтижеде, Донанның тепе-теңдігі қалыптасады, тыным потенциалы бастапқы деңгейге дейін жетеді.

[Cl]₀. Тұрақты болғанда |К ]₀ көбейсе, мембраналық потенциалының өзгеру эффектісі солай тез қалпына келмейді.

Ходжкин және Горовиц (1959) бұл эффектілерді осындай  түрде түсіндіреді: егер де К⁺ және Сl^- таралуы Донанның принцибіне сәйкес келсе және сыртқы К⁺ концентрациясы жоғары болғанда калийлік каналдар тек қана күшті тоқты өткізе алады, егер де ол кіру бағытта болса (j < j_К), және тек қана әлсіз тоқты, егер де ол кері бағытта болса (j > j_К).

[K]₀-дің 2,5-тен 10 мМ дейін көбейюі j_К-ті 35 мВ дейін өзгертеді, ол калийлік канал арқылы кіру тоқтың пайда болуына және j-дің j_К-ге жақындауына әкеледі. Мембраналық потенциал енді j_К. мен j_Cl арасында болады, сондықтан КСl (және су) j =j_К= j_Cl тепе-теңдігі орнатылғанша дейін талшыққа кіре береді.

j -j_К шамасы жоғары болғанда (90—100 мв), Р_К шамасы 1-2•10^-6 см/сек 0,05•10^-6 -ға дейін төмендейді. j -j_К шамасы теріс болғанда (кіретін К⁺ иондарының ағыны болғанда) Р_К шамасы 8•10^-6 см/сек дейін өседі. Сондықтан, келесі қорытындыға келуге болады: калийлік өткірлік К⁺ иондарына әсерін тигізетін электроқозғаушы күштен күшті тәуелдңкте болады.

Калийлік  өткірлікпен салыстырғанда, хлор иондары  үшін мембрананың өткірлігі потенциал  не концентрациялар өзгерген кезде  аса өзгермейді, сондықтан Р_К/Р_Cl қатынасы кең ауқымда бола алады. Солай, Рингердің қалыпты ерітіндісінде Р_К/Р_Сl 0,5 тең болады, егер де кіретін калий иондарының ағыны болса 1,9-ға дейін көбейеді, ал егер де калий ағыны сыртқа бағытталса 0,01-ге дейін төмендейді.

Ходжкин және Горовиц иондық өткізгіштердің және өткірліктердің ара қатынасын көрсетті.

Тұрақты өріс теңдеуінен:

 (10)

табатынымыз

  (11).

мұнда - Cl^- қосынды ағыны.

P_Cl және g_Cl арасындағы ара қатынас мембрананың өткізгіштігін сипаттайды:

(12).

Р_Cl 4*10^-6 см/сек; =-95 мВ; [Cl₀]= 120 мМ және [Cl_i]2,8 мМ/кг деп санасақ, бұлшық талшығы үшін g_Cl=170 мкмоль/см² аламыз. Хлорлық откірлікпен салыстырғанда, хлорлық өткізгіштік [Cl]₀×, [Cl]_I және потенциалдан тәуелді. Солайша калийлік өткізгіштік от калийлік өткірліктен, [К]₀ және [К]_I тәуелді болады.

Тыным потенциалын  есептегенде Донанның қатынасын  тек қана бұлшық талшығы тепе-тең  қалыпта болғанда қолдануға болады, яғни мембрана арқылы су мен КСl өтпесе. Егер де талшық сыртқы ерітіндімен теңеспесе, мембраналық потенциал тек қана концентрациялардың градиенттерінен емес, сонымен бірге К⁺, Сl⁺ және Na^+. иондары үшін мембрананың салыстырмалы өткірліктерінен тәуелді болады. Бұл тәуелдік тұрақты өрістің теңдеумен сипаттала алады. Теңдеуден шығарылатыны: бұлшық талшығында Р_Na./Р_К қатынасы 0,01 құрайды, ол кальмардың гигантты аксонымен салыстырғанда 4-5 есе рет төмендеу. Екінші маңызды ерекшелік: мембраналық потенциал тек қана Е потенциалынаң емес, сонымен бірге мембраналық потенциалдың айырмасының шамасынан және тепе-тең калийлік поьенциалынан тәуелді.