Электробиология

Полученные в эксперименте доказательства передачи сигнала через  синапс чисто электрическим путём  вступили в противоречие с существовавшими  на тот момент теоретическими расчетами. Оказалось, что при реальных экспериментально известных значениях сопротивлений мембран межклеточной среды и размеров синаптических контактов и щелей в клетку- мишень будет затекать не более 0.01% всего тока, вытекающего из терминала. Этот ток к тому же растечется по всему телу клетки и не сможет создать изменения её потенциала, необходимого для возбуждения. За решение этой задачи в 1965г. взялась группа молодых сотрудников Теоретического отдела Института биофизики АН СССР. Первая их идея состояла в том, что в синапсе и сопротивление мембраны, и сопротивление межклеточного вещества могут быть другими, отличаться от сопротивления клеточной мембраны и клеточной среды. Модель доказала, что электрический синапс (ЭС) не может работать ни при каком сопротивлении мембраны, одинаковом на всей поверхности синапса. Предположили, что мембрана синапса неоднородна по сопротивлению- она имеет «окна» с низким сопротивлением в центральных областях и высокое сопротивление у края синапса. Эта гипотеза оказалась верной. Таким образом, ЭС связывает две клетки множеством тоненьких трубочек диаметром около 1- 1.5 нм., проходящих внутри белковых малекул. Второй результат исследования ЭС показал, что природа действительно использует заполнение щели изолятором. У птиц в цепочке нейронов, обеспечивающих реакцию зрачка на свет, был обнаружен очень большой по диаметру ЭС, щель которого заполнена миелином т.е. изолятором. Таким образом, в природе действительно используются и заполнение синаптической щели изолятором, и неоднородные мембраны.

В химическом синапсе когда нервный импульс доходит до терминали мотонейрона, под его воздействием в синаптическую щель выделяется особое вещество- медиатор. Для нервно- мышечного синапса позвоночных таким медиатором служит ацетилхолин. Стоит только поднести к области синапса пипетку с раствором, содержащим ацетилхолин, как в мышечном волокне возникает изменение потенциала. Если эти изменения потенциала достигают порога возбуждения мембраны, то в ней возникает ПД и мышечное волокно сокращается. В 1950г. английский учёный Катц выдвинул гипотезу, что миниатюрные потенциалы (небольшие колебания возникшие без всякого воздействия на нерв через случайные промежутки времени) возникают тогда, когда пузырёк (везикула) слипается с пресинаптической мембраной, разрывается и выбрасывает в синаптическую щель свой запас ацетилхолина. Частично эту гипотезу удалось проверить цитологам: они сумели выделить везикулы и показать, что в них действительно содержится ацетилхолин. Целым рядом экспериментов было выяснено, что «виновником» возрастания частоты выделения медиатора являются ионы кальция. В постсинаптической мембране находятся каналы, «ворота» которых управляются не МП, а ацетилхолином. И канал и ворота являются частями особой сложно устроенной белковой молекулы. Конец такой молекулы «узнаёт» молекулы ацетилхолина. Если с ним связываются две молекулы ацетилхолина, то открывается канал, через который могут проходить ионы К+ и Na. В мембране открывается «электрическая дырка» и происходит деполяризация мембраны. Таким образом, постсинаптическая мембрана преобразует химический сигнал вновь в электрический сигнал- деполяризацию мембраны. Но почему деполяризация исчезает? Действие химического синапса кратковременно. Медиатор связывается с холинорецептором и уходит в синаптическую щель, где разрушается ферментом (ацетилхолинэстеразом). Есть и другие вещества, которые тоже могут связываться с холинорецептором, но делают это лучше, чем ацетилхолин. Например, растительный яд кураре, попав в организм, прочно связывается с холинорецепторами мышц и занимает «посадочные площадки», предназначенные для ацетилхолина. В результате ацетилхолин не может открыть ворота каналов и любые движения (в том числе и дыхательные) становятся невозможными. На этом же основано действие некоторых змеиных ядов.

Электрические синапсы  устроены просто , химические посложнее. Отличительной способностью ЭС является быстродействие. В ХС заметное время тратится на выделение медиатора и его диффузию в щель. Естественно, что ЭС находятся в тех цепях, которые обслуживают срочные реакции организма: отдёргивание тела, отпрыгивание, убегание.

Задержка на ЭС составляет всего 0.01 мс, ясно, что тут за счёт ЭС обеспечивается жизненно важная экономия времени. Такие же «аксоны» есть и у речного рака: когда опасность грозит спереди, они обеспечивают быстрое подгибание брюшка, что отбрасывает рака назад. ЭС имеются в системах спасения бегством у некоторых медуз, моллюсков, рыб и других животных.

Вторая характерная  особенность ЭС состоит в том, что они пропускают сигнал в обе стороны — они симметричны. Это может способствовать синхронизации, т.е. одновременности возбуждения нейронов, связанных ЭС. Такие синхронизирующие системы довольно распространены в живой природе. В простейшем случае они состоят всего из двух клеток; связь этих клеток через ЭС приводит к тому, что при возбуждении одного из нейронов практически одновременно возникает импульс и во втором. На пример, у электрического сома такая система из двух нейронов обеспечивает одновременность разряда электрических органов обоих сторон тела. У другой рыбы, которая умеет, сокращая плавательный пузырь, издавать звуки, напоминающие кваканье (за это ее называют рыба- жаба), все клетки, управляющие мышцами плавательного пузыря (их в этом случае не две, а несколько десятков), на ЭС, что позволяет им возбуждаться практически временно. Электрические синапсы довольно «модны» у беспозвоночных и низших позвоночных (круглоротых и рыб).

Нервная клетка или волокно  возбуждаются тогда, когда деполяризуется их мембрана (т.е. МП сдвигается к нулю от ПП).Значит противоположный сдвиг мембранного потенциала (например, от -75 до80 мВ) и будет торможением: такую клетку будет трудно возбудить, так как потребуется более сильное воздействие, чтобы довести её потенциал до порогового значения.

Устройства, подобные синапсам. Например, клетки сердца у самых разных животных связаны каналами из того же белка коннектина, который образует каналы в ЭС. В результате электрический сигнал распространяется по сердечной мышце от клетки к клетки за счёт тех же местных токов, что и по гигантскому «аксону» червя. Связаны коннексонами между собой и клетки гладких мышц разных внутренних органов. При изучении высокопроницаемых контактов было выяснено, что коннексоры являются динамическими структурами: каналы, образуемые коннектином, могут открываться и закрываться под действием разных факторов.

ГЛАВА 8.

Геометрия, электричество, функции.

Размышляя о ветвящихся волокнах, Ковалев и Чайлахян выдвинули совсем новую гипотезу для объяснения загадки сердечных клеток. Они рассуждали так. В проводящей системе сердца все происходит, как в аксоне кальмара, а в желудочке совсем иначе. Ho проводящая система отличается от желудочка прежде всего геометрической структурой: проводящая система образована волокнами, похожими на аксон дождевого червя,- они сходны с кабелем; желудочек, напротив, образован сложной сетью клеток, связанных высокопроницаемыми контактами, и никак не может считаться кабелем. Может быть, для объяснения необычного поведения желудочка не нужно искать какие-то необычные ионные каналы, но необходимо учесть эти геометрические различия? Для ответа на этот вопрос надо было иметь для геометрически разных структур такую же теорию, как для однородного волокна.

Геометрический подход — это фактически применение той  же идеи к возбудимым тканям. Его  основной принцип состоит в том, что свойства возбудимых клеток и  тканей, а значит, и выполняемые ими функции во многом определяются их геометрической структурой: формой клеток, соотношением их размеров, взаимным расположением и связями. Геометрический подход в электрофизиологии сейчас широко распространен и кажется вполне естественным: ведь поведение, например, нейрона существенно зависит от распределения потенциала на его мембране и от токов, которые текут в клетке и в окружающей ее среде. Но токи и напряжения, в свою очередь, зависят от распределения сопротивлений и емкостей, а это распределение определяется формой клетки.

Электрические параметры, которыми характеризуются клетки и ткани, можно разделить на две группы. К первой группе относятся параметры, характеризующие вещество мембраны и протоплазмы: удельное сопротивление мембраны, которое обычно равно 1—10 кОм*см², ее удельная емкость обычно равная 1 мкФ/см²и , наконец, удельное сопротивление протоплазмы, которое равно примерно100 Ом*см. Эти параметры, естественно, не зависят от формы и размеров клетки. Ко второй группе относятся параметры, которые называют системными. Они характеризуют клетку, волокно или систему связанных клеток в целом и зависят от размеров и формы. Один из основных системных параметров- это так называемое входное сопротивление.

Входным сопротивлением называют отношение сдвига потенциала к пропускному току. При тех же самых свойствах мембраны, что и у сферической клетки, потенциал в кабеле и нарастает, и спадает гораздо быстрее.

 Многие нервные клетки похожи на кусты или деревья: их выходной отросток, аксон,- тонкий корешок этого дерева, все остальные отростки- дендриты. Дендриты обычно отходят от тела клетки в виде толстых стволов, которые затем делятся на несколько более тонких ветвей, те, в свою очередь,- на ещё более тонкие и т.д. Длина дендритов в десятки раз превышает диаметр нервных клеток, а толщина концевых веточек очень мала- может составлять доли микрометра. На дендритах многих нейронов имеются особые образования, так называемые шипики. Это структуры, похожие на грибы и состоящие из головки на тонкой ножке, которую чаще называют шейкой шипика. Шипик представляет собой выпячивание клеточной мембраны, а к его головке подходит терминаль от другого нейрона и образует на ней химический синапс. Разберем сначала самый простой случай: пусть есть две клетки, соединенные между собой ЭС. А действие ЭС, в отличие от действия ХС, симметрично. И действительно, сам ЭС- это система тонких отверстий, которые совершенно одинаково пропускают ток в обе стороны. А вот действие такого синапса на связанные им клетки может сильно различаться, если эти клетки отличаются по величине, а значит, и по входному сопротивлению

.

ГЛАВА 9

Мозаика каналов и нейронов.

Подобно тому, как гигантский аксон кальмара является образцом нервного волокна, образцом нервной клетки является мотонейрон кошки. Эта клетка имеет относительно большие размеры (около 30 мкм) и поэтому наиболее детально изучена. Мотонейрон (MН) имеет тело и дендриты, на которых расположены около10000 сивапсов, образованных окончаниями других нервных клеток. От тела МН отходит выходной отросток — аксон, представляющий собой миелинизироваимое волокно. У его основания имеется особая структура — аксонный холмик; это часть МН, имеющая мембрану с наиболее низким порогом. Аксоны МН могут быть очень длинными, например, у кошки — сантиметров 25, а у слона или жирафа — и несколько метров. В конце аксон МН разделяется на веточки— терминали, которые оканчиваются на мышечных волокнах. Кроме того, еще внутри спинного мозга, где лежат МН, аксон отдает боковые веточки (коллатерали), которые идут к другим нервным клеткам.

А у позвоночных животных каждой крупной мышцей, например, кошки или человека управляет своя группа мотонейронов так называемый мотонейронный пул (МН-пул). В МН-пул входят тысячи нервных клеток, многочисленные разветвления аксонов которых оканчиваются на мышечных волокнах. Через мотонейронный пул и происходит управление работой мышцы, которая сама по себе тоже является довольно сложным механизмом. Например, изучая работу икроножной мышцы кошки, ученые обнаружили, что когда кошка стоит, возбуждаются только такие мышечные волокна, которые обеспечивают относительно слабое напряжение мышцы, но зато могут работать длительное время, не утомляясь; когда кошка бежит рысью, добавляются и другие, более «сильные» волокна; когда же кошка пускается в галоп, спасаясь бегством, или прыгает за добычей, подключаются особые мышечные волокна, которые могут работать относительно недолго («утомляемые»), но зато развивают большое усилие.

Как же нервная система обеспечивает управление таким сложным хозяйством? Оказывается, для этого вовсе не требуется «командовать» каждым мышечным волокном в отдельности: достаточно менять только силу сигнала, приходящего на пул, а нужный порядок включения мышечных волокон обеспечивается «геометрией» мотонейронов пула — их размерами и «топографией», т. е. расположением аксонов в мышце. У этого способа управления МН-пулом есть один недостаток: сигнал, необходимый для включения в работу больших МН, слишком велик для маленьких МН- он за- ставил бы их работать со слишком большой частотой, что может привести к гибели этих клеток. Чтобы этого не про- исходило, в МН-пуле есть специальное защитное устройство- так называемые клетки Реншоу.

Когда сигнал, приходящий на пул сверху, велик, к маленьким МН приходит, с одной стороны, этот слишком большой для них сигнал, а с другой стороны— тормозной сигнал от клеток Реншоу; эти сигналы, имеющие разные знаки, складываются, и маленькие МН работают в нормальном для них режиме.

Клетки сердца, связаны между собой высокопроницаемыми контактами. Поэтому если какая- то клетка начинает деполяризоваться быстрее других, то между ней и соседями возникает разность потенциалов и между ними текут токи, которые замедляют ее деполяризацию и ускоряют деполяризацию соседей. Из этого следует, что электрическая связь между клеткам во время медленной деполяризации будет способствовать урежению сокращений более быстрых клеток и учащению сокращений более медленных, так что в результате будет возникать некоторый промежуточный ритм. Удалось показать, что в сердце млекопитающих ритм задает коллектив, состоящий примерно из  5 000 спонтанно активных клеток: большое число взаимодействующих клеток обеспечивает достаточно высокое постоянство ритма.

После того, как выяснилось, что работа сердца управляется электрическим сигналом и что некоторые заболевания объясняются дефектами того участка сердца, где возникает этот сигнал, появилась идея подавать такой электрический сигнал на сердце искусственно. Эта идея, в конце концов, привела к разработке электростимуляторов. Это прибор, вырабатывающий периодический электрический импульс и через провода, вживленные в область синусного узла, подающий этот импульс на сердце. Сейчас благодаря появлению электростимуляторов десятки тысяч людей, ранее обреченных на больничный режим и даже гибель, ведут практически нормальный образ жизни.

ГЛАВА 10

Ворота в мир.

Две тысячи лет назад Аристотель написал, что у человека существуют пять чувств: зрение, слух, осязание, обоняние и вкус. За два тысячелетия учёные неоднократно открывали органы новых «шестых чувств» например вестибулярный аппарат или температурные рецепторы. Разнообразные рецепторы, измеряющие кровяное давление, содержание сахара и углекислого газа в крови, осмотическое давление крови, степень растяжения мышц и т. д. Эти внутренние рецепторы, сигналы которых, как правило, не доходят до сознания позволяют нашей нервной системе управлять разнообразными процессами внутри организма. По мере изучения этого разнообразия обнаружилось, что в основе работы всех органов лежит один принцип. Внешнее воздействие (свет, нагревание, давление и т.д.) принимается специальными клетками — рецепторами и меняет МП этих клеток. Этот электрический сигнал называют рецепторным потенциалом.  Таким образом, рецептор- это преобразователь внешних воздействий в электричестве сигналы, как об этом гениально догадался Вольта, рецепторы передают сигналы в нервную систему, где происходит их дальнейшая обработка. От понимания работы рецепторных клеток до понимания работы органов чувств — «дистанция огромного размера».