Структура и функции биологических мембран - Трошин А.С.
Скачать (прямая ссылка):
Может быть предложено следующее объяснение существования резерва холинорецепторов и ионных каналов. Активация холинорецеп-тивной мембраны — это многоступенчатый процесс, в ходе которого происходят обратимые изменения целого ряда макромолекул. Должен измениться также ионный состав как внутри каналов поводимости, так и в прилегающих к мембране слоях электролита (Дунин-Барковский и др..
1971). Хотя процесс активации чрезвычайно быстрый, процессы реституции (восстановление исходной конформации макромолекул мембраны, восстановление ионного состава в неперемешиваемых слоях электролита) могут занимать гораздо большее время. Это значит, что у каждой функциональной единицы постсинаптической мембраны после недолгого периода активности должен наступать относительно долгий период рефрактерного состояния, за который элементы, ее составляющие, обретут прежние качества. Для того чтобы постсинаптическая мембрана не теряла при этом способности реагировать на частые дискретные воздействия медиатора, существует очень большой резерв функциональных единиц.
Если общее количество функциональных единиц превышает, согласно расчетам, то количество, которое необходимо для реализации эффекта примерно в 100 раз, то это дает значительный запас времени на восстановление состояния готовности. Импульсный характер работы функциональных единиц позволяет им включаться поочередно в генерацию пост-синаптического тока. При этом, чем чаще должны происходить такие включения, тем большее число функциональных единиц будет привлекаться из резерва. Скорость мобилизации этих единиц в естественных условиях при генерации одного постсинаптического ответа всегда намного превышает скорость восстановления их функциональных свойств. Действительно, концентрация ацетилхолина у поверхности постсинаптической мембраны при выделении кванта ацетилхолина возрастает очень быстро (за доли миллисекунд). Значит, почти одновременно активируется 1000 функциональных единиц. Нетрудно представить, что всякое значительное удлинение времени существования такой высокой концентрации ацетилхолина повлекло бы за собой полное истощение резерва функциональных единиц. Квантовая структура постсинаптических ответов в сочетании с механизмами «уборки» ацетилхолина гарантируют от возможности наступления такой аварийной ситуации. Вероятность того, что при следующем нервном импульсе на то же самое место постсинаптической мем-
256
МЕМБРАНЫ НЕЙРОНОВ, РЕЦЕПТОРНЫХ КЛЕТОК И СИНАПСОВ
браны будет снова воздействовать квант ацетилхолина, меньше единицы. Если область действия каждого кванта равна 10 мкм2, и эти области при генерации постсинаптического ответа не перекрывают друг друга, то для обеспечения эффекта 200 квантов, выделяющихся нервным импульсом в нервно-мышечном синапсе крысы при частоте стимуляции 5 имп/сек {Hubbard, Wilson, 1973), очевидно, необходима площадь 2000 мкм2. Общая площадь постсинаптической мембраны в этом синапсе составляет 7000 мкм2 (Salpeter, Eldefrawi, 1973). Следовательно, вероятность повторной активации той же зоны при данной частоте составляет 2000 : : 7000 = 0,29. Это создает дополнительные возможности для «передышки» и восстановления исходного уровня готовности.
Продолжим расчет вероятности активации для каждого холинорецептора, находящегося на поверхности мембраны в данном синапсе, учитывая также и резерв холинорецепторов и допустим, что 1) холинорецеп-торы расположены равномерно на площади мембраны; 2) вероятность выделения синаптического пузырька в любом участке пресинаптической мембраны одинакова; 3) каждое эффективное взаимодействие молекулы ацетилхолина с холинорецептором приводит к активации одного ионного канала. Тогда можно считать, что вероятность повторной активации одной и той же функциональной единицы будет зависеть от числа всех функциональных единиц, имеющихся на постсинаптической мембране, и от числа активируемых единиц во время действия одного нервного импульса. Если обозначить число hohbjix каналов, открываемых в зоне действия одного кванта, через т, число квантов, освобождаемых одним нервным импульсом при данном ритме стимуляции через п, а общее число функциональных единиц (холинорецепторов) через М, то вероятность повторной активации каждой функциональной единицы (р) выразится отношением:
Р = ~м- <29)*
Вероятный временной интервал между активациями составит тогда
T=-JT' <30>
где / — частота ритмической стимуляции в сек-1. Для нервно-мышечного синапса крысы, если принять величину М =4-107 (Fambrough, Hart-zell, 1972), при частоте стимуляции 5 имп/сек получим:
п — 1'10-3 х 200 - 5. 4П-3
Р Алт — о iu ,
4-107
1
5-10-3 X 5
40 сек
Естественно, приводимые расчеты являются сугубо приблизительными, поскольку они основываются на не вполне точных исходных данных, а допущения, которые были приняты, являются далеко не очевидными и требуют экспериментальной проверки. Спорным является представление как о равномерности распределения холинорецепторов по поверхности постсинаптической мембраны, так и о функциональной однородности пресинаптической мембраны. Высказывается предположение о том, что далеко не все образующиеся комплексы ацетилхолин + холи шрецептор являются активными, т. е. приводят к открытию ионных каналов (Katz, Miledj, 1973b). Последнее обстоятельство не должно существенно влиять
