Электробиология

Подведем итоги. К концу 19 века в основном стараниями учёных школы Дюбуа- Реймона были открыты и исследованы основные электрофизиологические явления: потенциал покоя, который в начале называли током повреждения, потенциал действия, который распространяется по волокну, а также были исследованы некоторые феноменологические законы раздражающего действия тока, например, было введено понятие рефрактерности.

Несмотря на значительное развитие теории электричества и электротехники природу ПП и ПД не удалось сколь- нибудь удовлетворительно объяснить. Электрохимия ещё не имела достаточной теоретической базы, хотя изучение тока и началось с появления вольтова столба, т.е. электрических процессов на границе жидкости.

Глава 3

Возникновение разности потенциалов в клетке.

Ученик Дюбуа- Реймона, Людвиг Герман рассуждал, что в нормальной целой мышце и нерве вообще нет никаких токов и потенциалов. Токи возникают только тогда, когда мышцу или возбуждают, или повреждают. И причиной этого, предложил Герман. Являются химические реакции, которые начинают идти на границе нетронутой и поврежденной протоплазмы. На этом и сосредоточился второй « великий спор» в электробиологии: возникает ли электричество в мышце только в момент повреждения или существует до повреждения.

Напомним, что осмос- это  явление самопроизвольного перехода растворителя в раствор, отделённый от него перепонкой, через которую  проходит растворитель. Но не проходит растворённое вещество. Такие плёнки называют полупроницаемыми. Полупроницаемостью обладают разные плёнки биологического происхождения: кожа лягушки, стенка мочевого пузыря и т.д. Если взять стеклянную трубку и затянуть один её конец  полупроницаемым материалом, затем налить в трубку раствор сахара и опустить её затянутым концом в воду, то вода будет проникать из наружного сосуда в трубку и уровень раствора в трубке поднимется выше, чем  в наружном соседе, создав так называемое осмотическое давление.

Главная задача состояла в том, чтобы выяснить, какие вещества и как быстро могут проникать в клетку. Немецкий ботаник В.Пфеффер предположил, что на поверхности растительной клетки под «панцирем» имеется еще одна, невидимая в микроскоп оболочка- клеточная мембрана, которая и играет на самом деле роль полупроницаемой оболочки. Пфеффер также измерил осмотическое давление. Но почему для разных растворов при одной и той же концентрации (по массе) получаются разные давления, ботаник Пфеффер не догадался.

В 1894г. молодому химику Я.Вант- Гоффу удалось увидеть, что осмотическое давление в разных растворах получается одинаковым, если измерять концентрацию не в граммах на литр, а в молях, т.е. существенной является не масса, а число молей растворенного вещества.

Единомышленник Вант - Гоффа шведский учёный С.Аррениус пришёл к идеи электролитической диссоциации, что частицы, на которые распадаются многие вещества, и есть те самые ионы- носители электрических зарядов. Так изучение осмоса привело к открытию двух главных «виновников» возникновение «животного электричества»- клеточных мембран и ионов; но об их роли пока ещё никто не догадывался.

А в Берлине В.Нернст занялся диссертацией и взялся за теоретическую работу о гальванических элементах. Конечно, до него такой теорией занимались великие умы: У.Томсон, Гиббс, Гемгольц. Но ведь тогда не знали о ионах! В 1889г. его диссертация была готова и опубликована. В ней, в частности была развита идея Вольта о том, что электрические явления могут возникать при соприкосновении двух разных жидкостей.

В 1890г. Вильгельм Освальд предположил, что полупроницаемость может вызывать не только осмос, но и электрические явления. Осмос возникает тогда, когда пленка пропускает маленькие молекулы воды, но не пропускает большие молекулы сахара. Но ведь и ионы могут иметь разные размеры! Тогда мембрана будет пропускать ионы только одного знака .Он предположил, что свойствами такой мембраны объясняются потенциалы мышц и нервов и удивительное действие электрических органов рыб. Но решающий шаг, который сделал Бернштейн, состоял в том, чтобы объяснить электрические свойства мышц и нервов не устройством этих органов в целом, а свойствами клеток, из которых состоят все ткани и органы. Наконец- то был прямо указан «виновник», создающий «животное электричество»,- клеточная мембрана, а «оружие»- перенос ионов. Таким образом, в гипотезе Бернштейна объединяются электрохимия и клеточная теория.

Что было важно для  Бернштейна в строении органов и  клеток? Мышцы или нерв состоят  из клеток, окруженных межклеточной жидкостью. Каждая клетка представляет собой мешочек или пузырек, покрытый оболочкой и содержащий жидкость другого состава (в которой находятся разные клеточные органеллы, например ядро).

Пусть теперь внутри клетки имеется много свободных ионов какого-то элемента, например калия, а снаружи таких ионов нет или их гораздо меньше. Пусть клеточная мембрана пропускает только ионы К+ и не пропускает никаких других ионов. Тогда ионы К+ начнут выходить из клетки, где их много, наружу (двигаться по градиенту концентрации диффундировать — все эти слова означают одно и то же). Вместе с ними будет выноситься наружу их положительный заряд. Внутрь через мембрану будет проходить мало ионов, так как снаружи мало калия. В результате на клеточной мембране будет возникать разность потенциалов: снаружи клетки — «плюс», а внутри — «минус». Эта разность потенциалов будет тормозить движение новых положительных заряженных ионов калия наружу, и увеличивать поток этих ионов внутрь. Когда потоки ионов наружу и внутрь сравняются, установится динамическое равновесие и на мембране будет поддерживаться постоянная разность потенциалов. Это и есть потенциал покоя (ПП).

Как мы уже упоминали, в 1902г. вышла первая статья Бернштейна по мембранной теории. Этот год и  считается годом ее рождения.

Очень слабым местом мембранной гипотезы было полное отсутствие данных о  том, какой именно ион вызывает потенциал. Ведь по мембранной теории для возникновения ПП никаких специальных  свойств от клетки не требовалось, и вполне естественно было предположить, что ПП присущ не только этим тканям, что все клетки могут вырабатывать электричество. Бернштейн объясняет работу электрического органа рыб, работу желез, движение насекомоядных растений и даже пытается объяснить движение внутриклеточных частиц- хромосом- при делении клеток клеточными потенциалами.

Из трех основных «действующих лиц», мембранной теории- мембрана, наружная среда, внутренняя среда- довольно хорошо была исследована лишь наружная среда. Гораздо труднее было определить ионный состав внутриклеточного содержимого. Клетки слишком малы, а между ними всегда имеется межклеточное вещество и жидкость. Кроме того, сторонникам мембранной теории надо было не просто показать наличие калия внутри клеток, а наличие именно свободных, несвязанных ионов калия. В 1936 г. английский специалист по головоногим моллюскам Дж. Юнг обнаружил у кальмаров нервное волокно, диаметр которого доходил до миллиметра, т. е. по клеточным масштабам гигантское, хотя сами моллюски вовсе не был гигантским. Такое волокно, выделенное из организма и помещенное в морскую воду, не погибало. Наконец-то появилась живая клетка, в которую можно было проникнуть, с которой можно было работать.

В 1939 г. Английский учёный А.Ходжкин и его ученик А.Хаксли впервые измерили разность потенциалов  на мембране животной клетки. Удалось  также доказать, что внутри этого волокна действительно много ионов калия, что эти ионы представляют собой «ионный газ», т. е. могут участвовать в создании мембранного потенциала (МП). При этом расчетное значение ПП неплохо совпадало с непосредственно измеренным (около 60 мВ). Распространить эти данные с уникальной клетки- гигантского аксона - на обычные клетки стало возможным, когда в 1946 г. американские ученые Джерард и Линг разработали новую методику - методику микро электродов. Микроэлектрод - это вытянутая из нагретой стеклянной трубочки тоненькая пипетка с диаметром кончика менее 1 мкм (тысячной доли миллиметра), заполненная раствором электролита. Стекло играет роль изолятора, а электролит - проводника. Такой электрод можно ввести в любую клетку, практически ее не повреждая. Новая техника эксперимента быстро получила широкое распространение в самых разных исследованиях и за несколько лет буквально завоевала мир. В нашей стране пионером микроэлектродных исследований стал сотрудник Киевского государственного университета Платон Григорьевич Костюк, который начал применять эту технику в середине 50-х годов. (Сейчас П. Г. Костюк- академик; он долгое время возглавлял Отделение физиологии АН СССР.) Вскоре были получены достаточно полные данные о величине ПП для разных клеток, ПП был обнаружен не только у мышечных и нервных клеток, но и у эритроцитов, клеток кожи, печени и др. Если считать, что причиной ПП служит разность концентраций ионов калия во внутренней и наружной средах клеток, разделенных мембраной, а все клетки в этом отношении устроены, в общем, сходно, то наличие ПП совершенно закономерно, хотя и не ясно, зачем понадобился ПП, например, клеткам слюнной железы или печени.

Клеточная мембрана предтавлят собой жидкую пленку, образованную жироподобными веществами- липидами. Она состоит из двух слоев липидных молекул, в которые встроены молекулы белка. Емкость мембраны определяется ее липидным слоем, а сопротивление молекулами белка. С помощью изотопных и других методов было показано, что клеточная мембрана действительно является полупроницаемой: она хорошо пропускает положительные ионы калия, но не пропускает клеточные анионы.

На первый взгляд кажется, что уточнения, внесенные Ходжкином и Катцем в мембранную теорию Бернштейна, несущественны. Всего- то и оказалось, что мембрана пропускает, кроме калия, немного натрия: калий создает потенциал одного знака, натрий- другого, в результате получается ПП чуть ниже, чем только от калия.

ГЛАВА 4.

Возникновение нервного импульса.

К этому времени не было уже сомнения, что в основе и сокращения мышц под действием раздражения, и передачи сигнала по нерву лежит электричество. Именно Бернштейн доказал прямыми экспериментами, что возбужденный участок поверхности мышцы или нерва на очень короткий промежуток времени приобретает потенциал, отрицательный по отношению к невозбужденной и неповрежденной поверхности и примерно равный потенциалу  повреждения.

Суть этой гипотезы заключается  в том, что при возбуждении  мембрана не просто полностью утрачивает избирательную проницаемость, а меняет ее: из проницаемой главным образом для К+ мембрана становится проницаемой главным образом для Na+. А так как натрия снаружи больше, то он «лезет» внутрь и перезаряжает мембрану- получается как бы «ПП» наоборот. Этим легко объясняется овершут (превышение).

ГЛАВА 5.

От клеток к молекулам.

Мы уже говорили, что  в наружную клеточную мембрану встроены разного рода белковые молекулы. Оказывается, некоторые из этих молекул играют роль своеобразных насосов, «закачивая» ионы калия внутрь клетки и выкачивая ионы натрия наружу. Они так и называются – «ионные насосы». Эти белки, очень сложно устроенные, представляют собой настоящую молекулярную машину, умеющую делать удивительные вещи. Например, показано, что она имеет два активных центра, одним из которых может захватывать ион калия, а другим – натрия. Найдено также и «топливо», на котором работает эта машина. Это особое химическое соединение – аденозинтрифосфорная кислота(АТФ). До сих пор, когда мы говорили о движении веществ через клеточную мембрану, мы в основном рассматривали или воду, или ионы. Но всем клеткам необходимо получать питательные вещества, например сахара, или аминокислоты для построения клеточных белков. Сами по себе эти вещества очень плохо проходят через липидные пленки. Как же они попадают в клетки? Оказалось, что, как правило, они проходят внутрь клеток тогда, когда на клеточной мембране есть потенциал, а в окружающей среде — ионы натрия. Почему?

Здесь мы сталкиваемся с новым классом молекулярных машин белков-переносчиков и с явлением электрического транспорта. Эти белки присоединяют к себе на наружной части мембраны молекулу (например, сахара) и ион натрия, приобретая положительный заряд. Тогда электрическое поле втягивает переносчик к внутренней поверхности мембраны, где он отделяет сахар и натрий. Затем белок-переносчик вновь проходит через жидкую липидную мембрану на поверхность, где захватывает новые молекулы сахара и натрий. Лишний натрий, который попадает внутрь клетки, откачивается наружу натриевым насосом.

Итак, теперь мы понимаем, что мощное электрическое поле в мембране создается не зря (напомним, что его напряженность — сотни тысяч вольт на сантиметр): клетка, обладающая ПП, может эффективно втягивать внутрь положительно заряженные молекулы или комплексы молекул. Молекула сахара сама по себе не несет заряд, а переносчик не присоединяет ион натрия, пока сахар не займет свое место. Можно сказать, что переносчик играет роль кареты, сахар — седока, а натрий — роль лошадки, хотя он не сам вызывает движение, а его втягивают в клетку электрическое поле. Для поглощения из среды разных сахаров или разных аминокислот клетка имеет и разные белки- переносчики. Переносчики у бактерий доставляют в клетку сахара не с ионом натрия, а с ионом водорода. Таким образом, мембранный потенциал используется всеми  клетками для электрического транспорта разных веществ.

Всё это наводит на мысль, что нервные клетки, несколько модифицировав свою мембрану, использовали мембранный потенциал, присущий любой живой клетке, для выполнения новой функции — передачи сигналов. То, что служило для транспорта веществ, стало служить для передачи информации. Такой способ эволюции называется «смена функций»; он был открыт еще Дарвином и подробно разработан почти сто лет назад немецким зоологом А. Дорном.

Успехи молекулярной биологии часто позволяют понять процессы, происходящие на клеточном и даже на органном уровне. Так, открытие ионных насосов позволило биологам совершенно иначе представить себе работу целого ряда органов животных или выполнение клеточных функций. Мы рассмотрим лишь несколько примеров такого нового понимания.

Есть животные, которые  пьют только морскую воду, например альбатросы. Специальные железы («опреснители»), клетки которых снабжены ионными насосами, выделяют наружу лишнюю соль. Железы с такими же функциями имеются и у некоторых растений, растущих на засоленных почвах. Интересно, что «опреснители» существуют и у морских рыб. Дело в том, что их кровь менее соленая, чем окружающая среда, поэтому вследствие осмоса вода «вытягивается» из тела рыбы через жабры. Приходится пить много воды, но с ней в организм попадает лишняя соль. Эта соль выкачивается наружу ионными насосами, которые расположены в мембране клеток тех же жабер. А у пресноводных рыб или лягушек вода, напротив, поступает в тело, разбавляя внутреннюю среду. Поэтому у этих рыб насосы жабер, а у лягушек ионные насосы кожи ловят разнообразные ионы в окружающей среде и перекачивают их внутрь организма. Работу такого электрогенного насоса когда-то и удалось зарегистрировать Дюбуа-Реймону на коже лягушки. С ионными насосами связана работа органов пищеварения и выделения различных животных, они принимают участие во всасывании продуктов пищеварения, выделении отходов метаболизма и др. В специальных клетках желудка позвоночных имеется протонная лампа. Она выкачивает в просвет желудка положительно заряженные ионы водорода, за которыми идут отрицательные ионы хлора; так в желудке вырабатывается соляная кислота.