Электрические явления в тканях (электрогенез)
История открытия электрических явлений в тканях связана с работами известного физика Луиджи Гальвани (1791-1797 гг.). В результате его исследований был опубликован трактат “Животное электричество”, в котором Гальвани предполагал о том, что в живых тканях образуется электричество или биопотенциалы. В основу этого вывода были положены результаты двух опытов, которые вошли в классическую физиологию как первый и второй опыты Гальвани.
Опыт первый. Гальвани в своих исследованиях использовал лягушек, подвешивая их на медных крючках к железным перилам балкона (балконный опыт). При этом, когда тушки лягушек, раскачиваясь под влиянием ветра и касались железных перил балкона, то наблюдалось сокращение лапок. На основании этого опыта Гальвани пришел к выводу, что сокращение мышц лапок связано с животным электричеством, возникающим в спинном мозге и проходящим по металлическим частям - крючку и перилам балкона (рис. 2.2.).
Живший в то время не менее известный ученый-физик Вольта возразил высказываниям Гальвани и предположил, что дело не в “животном электричестве”, а в том, что разность потенциалов обусловлена сплавом различных металлов - железа и меди, которая и раздражает мышцы. Гальвани был убежден в своем предположении о наличии биопотенциалов в тканях и провел новый опыт без участия металлов (второй опыт Гальвани). Этот опыт (рис. 2.3.) заключался в следующем: бралась лапка лягушки с отпрепарированным седалищным нервом, затем нерв при помощи стеклянной палочки резко набрасывался на мышцу, в результате соприкосновения нерва с мышцей мышца сокращалась (второй опыт Гальвани). Если на мышце сделать повреждение и набрасывать на это место нерв, то она будет сокращаться еще сильнее. Отсюда следует, что сама ткань способна генерировать электричество.
В 1837 году ученый Маттеучи подтвердил высказывания Гальвани о наличии электричества в тканях опытом вторичного сокращения. Сущность опыта заключалась в том, что брались два нервно-мышечных препарата лягушки и нерв второго препарата набрасывался на мышцу первого (рис. 2.4.). При раздражении электрическим током нерва первого нервно-мышечного препарата сокращались мышцы второго. На основании этих экспериментов Маттеучи приходит к выводу, что токи действия, возникающие при возбуждении первого нервно-мышечного препарата, раздражают нерв второго нервно-мышечного препарата, в результате чего его мышцы сокращаются. После этих исследований многочисленные лаборатории стали заниматься выяснением механизмов возникновения в тканях электрических процессов.
Особо заслуживают внимания исследования немецкого электрофизиолога Бернштейна. В 1902 году на основании полученных экспериментальных данных Бернштейн выдвинул мембранную теорию возникновения биопотенциалов. Он впервые высказал предположение, что любая клетка покрыта оболочкой или мембраной, которая обладает избирательной проницаемостью для ионов калия. Благодаря этой избирательной проницаемости между наружной и внутренней частями мембраны создается ионная асимметрия, т. е. имеет место разная концентрация в цитоплазме и на поверхности клеток, что и обусловливает разность потенциалов. Таким образом, любая клетка, покрытая мембраной, способна генерировать потенциалы, которые носят ионную природу.
В последующем многие лаборатории мира стали заниматься изучением природы электрических явлений в тканях (Ходжкин, Хаксли, Окс, Кац и др.) и в начале 50-х годов на основании полученных данных была предложена мембранно-ионная теория, позволившая выяснить электрогенез в тканях.
Чтобы раскрыть сущность этой теории, следует остановиться на строении мембран. Методом электронной микроскопии было показано, что действительно клетка возбудимых тканей покрыта мембраной, представляющей собой высокоорганизованную структуру, построенную главным образом из белков и липидов.
Мембрана представляет собой плоскую структуру толщиной 7-10 нм. Мембраны могут быть однослойные, двухслойные и трехслойные. Если мембрана трехслойная, то наружная ее часть состоит из углеводов, внутренняя – из белков, а среднюю (основа для любой мембраны) образует двойной слой липидов. Если мембрана однослойная, то она состоит только из бислоя липидов. Липиды мембран представлены относительно небольшими молекулами фосфолипидов, гликолипидов и холестерина, несущими гидрофильные и гидрофобные группы. Мембраны пронизаны мельчайшими каналами, которые образуют ее транспортную систему (диаметр каналов колеблется в пределах 0,3-0,9 нм). Во время возбуждения диаметр каналов может увеличиваться на 0,1 нм. Плотность каналов на мембранах различных клеток колеблется от 12 до 500 на 1 мкм2. А в перехватах Ранвье их обычно больше – до 1200 на 1 мкм2. В зависимости от того, какие ионы пропускает канал, различают натриевые, калиевые, кальциевые, хлорные и сбросовые каналы. По скорости пропускания ионов каналы могут быть быстрыми и медленными, т. е. обладающие разной скоростью пропускания ионов (или проницаемостью для ионов). Избирательность к виду пропускаемых ионов у некоторых каналов различна: она выражена у К+-каналов. Есть каналы, не обладающие избирательностью и способные пропускать разные ионы. Структура стенки любого канала представлена многочисленными элементами, включающим в себя дискретные белки-ферменты, способные конформироваться.
Основными элементами канала являются: 1) селективный фильтр, расположенный в начале канала, в узкой его части, определяющий относительную избирательность канала. Обычно он представлен ионами СОО-; 2) сенсор напряжения, улавливающий величину мембранного потенциала в электровозбудимых каналах, а в хемовозбудимых каналах - концентрацию передатчика нервного возбуждения в синапсах (медиатора); 3) активационная и инактивационная системы, представленные воротами, имеющими белковые микрозаслонки (рис. 2.5.).
Активационная и инактивационная системы связаны с сенсором напряжения, который является их регулятором. В различные периоды состояния мембраны ворота могут быть закрытыми или открытыми, что определяет наличие или отсутствие ионного тока, а их работа определяется по величине шумового эффекта, что зависит от величины воротного тока.
Каналы работают по принципу “все или ничего”: они либо открыты, либо закрыты. Скорость транспорта ионов в различных каналах может быть различной: есть каналы, пропускающие ионы медленно или, наоборот, быстро (медленные или быстрые диффузионные токи). Если срабатывает активационная система канала, то белковые заслонки под влиянием сенсора напряжения, конформируясь, открывают каналы, что обусловливает в них быстрый, лавинообразный ионный ток. Инактивационная система канала срабатывает в обратном направлении, т. е. прекращает ионный токи вследствие закрытия канала. Многие каналы имеют активационную систему, однако, инактивационная система в некоторых каналах отсутствует.
В покое любая мембрана находится в состоянии поляризации, т. е. имеет определенной величины заряд, который формируется следующим образом. Положительно заряженные ионы (К+, Nа+ и др.) легко проходят по каналам мембраны, а внутриклеточные отрицательные ионы (НСО- , НРО- , аминокислоты, некоторые белки и др.) как более крупные частицы, не могут пройти через транспортные системы мембраны. Подходя к внутренней поверхности мембраны, они электростатически удерживают на ее наружной поверхности положительно заряженные ионы, которые имеются в окружающей клетку среде. Таким образом создается поляризация мембраны.