Нейро-биология Том 1 - Шеперд Г.
Скачать (прямая ссылка):
Анализ экспериментальных данных позволил Ходжкину и Хаксли вывести уравнения, описывающие влияние различных факторов на ионную проводимость. При помощи этих уравнений была построена модель потенциала действия. Как видно из рис. 7.6Б, теоретическая модель очень хорошо согласуется с экспериментом. Мы не будем подробно разбирать эту модель, прекрасно описанную во многих работах (см. библиографию). Здесь достаточно лишь отметить, что модель нервного импульса Ходжкина и Хаксли — одно из крупнейших достижений нейробиологии и всей современной науки, служащее примером удивительного соответствия экспериментальных данных теории. Невозможно переоценить важность этой модели для нейробиологии и, в частности, для изучения мембранных механизмов нервных процессов. Теория Ходжкина — Хаксли стала краеугольным камнем для всех последующих исследований.
Молекулярные механизмы возбуждения
Один из признаков хорошей теории заключается в том, что с ее помощью можно предсказывать некоторые явления, доступные экспериментальной проверке. В этом отношении модель Ходжкина—Хаксли оказалась чрезвычайно плодотворной. Рассмотрим вкратце некоторые важнейшие открытия, проливающие свет на молекулярные механизмы мембранных потенциалов.
Свойства каналов. Основным вопросом, возникшим после создания модели Ходжкина — Хаксли, было выяснение механизмов регуляции ионной проводимости мембраны. Ходжкин и Хаксли предположили, что проницаемость мембраны для каждого иона обусловлена гипотетическими «каналами», позволяющими данному иону свободно проходить через мембрану по градиенту концентрации. Многие исследователи, работающие в данной области, представляют себе такие каналы как поры в мембране. В пользу такого предположения свидетельствуют многочисленные косвенные данные. Однако, поскольку диаметр каналов, согласно подсчетам, должен составлять 3—5 А, они не могут быть обнаружены даже при помощи самых мощных современных электронных микроскопов. Поэтому прямых доказательств существования подобных пор не получено. Напротив, гипотетических представлений о свойствах ионных каналов более чем достаточно. Согласно одному из предположений, вход в натриевый канал расширяется по направлению к внутренней стороне мембраны наподобие воронки. Предполагают также, что в мембране существуют молекулярные «ворота», обусловливающие открытие (активацию) и закрытие (инактивацию) натриевого канала. Все эти гипотетические структуры схемати-
7. Потенциал действия
159
чески представлены на рис. 7.7А. Как полагают, натриевый канал выстлан шестью отрицательно заряженными атомами кислорода, удаляющими гидратную оболочку с ионов Na+; благодаря этому Na+ приобретает способность проходить через канал. Избирательность данного канала для ионов Na4-определяется его диаметром; способность других ионов (кальция, лития и т. д.) проходить через этот канал зависит от их размеров. Различные участки или компоненты ионных каналов служат местами воздействия ряда лекарственных препаратов, ядов и т. п. (рис. 7.7Б).
Воротные токи. При построении своей модели Ходжкин и Хаксли предположили, что ворота, управляющие проницаемостью натриевых каналов, должны обладать дипольным моментом. В связи с этим при любых изменениях конформации таких ворот должна возникать разность потенциалов, суммирующаяся с общим мембранным потенциалом. Однако эта разность настолько мала, что зарегистрировать ее стало возможным лишь в начале 1970-х годов после разработки методов «накопления» и усреднения нескольких тысяч ответов на раздражение. Полагают, что исследование токов, возникающих при изменениях конформации ворот («воротных го/сое»), поможет получить новые данные о молекулярных механизмах функции ворот и регуляции проницаемости ионных каналов (рис. 7.7А).
Искусственные мембраны. На первый взгляд может показаться, что возбудимость свойственна лишь оболочкам живых ^леток. Однако в недавних работах было показано, что способностью к возбуждению обладают и искусственные мембраны. Липидные мембраны обрабатывали такими веществами, как амфотерицин. Приложение напряжения к подобным мембранам приводило к тому, что их потенциал начинал изменяться в соответствии с законом «всё или ничего». Полагают, что под действием приложенного напряжения в таких мембранах образовывались каналы и ворота (рис. 7.7В). В данных исследованиях была выявлена интересная особенность — частичное образование ворот, в результате которого возбудимость была выражена неполностью (см. схему на рис. 7.7). Возможно, именно в соответствии с аналогичным механизмом возбудимость нервных клеток может быть выражена в различной степени в процессе их созревания или в разных участках.
Плотность расположения каналов и местная возбудимость. Для оценки плотности расположения натриевых каналов в мембране в ряде работ определяли связывание нервными волокнами меченого тетродотоксина и подобных ему ядов (как уже говорилось, тетродотоксин избирательно блокирует натриевые каналы). Данные, полученные в этих работах, свидетельствуют о том, что плотность натриевых каналов существенно варьиру-
