При втором варианте натриевого механизма перемещение транспортируемых частиц направлено в противоположную сторону движения Na+ (антипорт, т.е. противотранспорт). С помощью этого обменного механизма регулируется, например, содержание Са2+ в клетке, рН внутри клетки за счет выведения Н-иона в обмен на внеклеточный Na+. Внутриклеточная концентрация Са2+ на несколько порядков ниже внеклеточной. Натриевый концентрационный градиент участвует в выведении Са2+ из клетки. Об этом свидетельствует, в частности, следующий факт. Выведение Са2+ из клетки снижается, если удалить из внеклеточной среды Na+. Это позволяет предположить, что Са2+ выводится из клетки в обмен на поступающий в нее Na+ и противоположно направленные потоки этих ионов сопряжены друг с другом; обеспечивается он переносчиком-обменником. Исходным источником энергии этого процесса опять является градиент Na+, который в конечном счете формируется за счет АТФ-зависимого активного транспорта Na+. Поэтому при ингибировании Na/K-АТФазы, при уменьшении внеклеточной концентрации Na+ и в бескалиевой среде (когда Na+ выводится недостаточно из клетки) Na/Ca-об-менник блокируется, в результате чего увеличивается внутриклеточная концентрация Са2+.
Однако конкретный механизм работы переносчика-обменника неясен. Переносчик может транспортировать Са2+ и Н+ вопреки их электрическим и концентрационным градиентам только в том случае, если сам переносчик имеет собственный градиент: его концентрация на внешней стороне мембраны клетки больше, чем на внутренней. Причем этот градиент должен постоянно поддерживаться, иначе перенос Са2+ и Н+ прекратится. По-видимому, выведение Са2+ и Н+ из клетки в результате диффузии Na+ в клетку (антипорт—противотранспорт) осуществляется следующим образом. Na+ постоянно диффундирует в клетку согласно своему электрохимическому градиенту и транспортирует с собой (в комплексе) молекулы-переносчики, что и ведет к созданию концентрационных градиентов молекул-переносчиков, направленных из клетки. Са2+ и Н+на внутренней стороне мембраны клетки соединяются со своими переносчиками и транспортируются из клетки в виде комплексов согласно градиентам своих переносчиков. Именно поэтому, например, блокада Na/K-насоса ведет к накоплению Са2+ в клетках (транспорт Са2+ из клетки уменьшается). Это примеры вторичного транспорта вещества за счет первичного транспорта Na+, который с помощью помпы выводится из клетки. Переносчики же совершают челночные движения за счет работы Na/K-насоса (вторично-активно) и транспортируют с собой Са2+ и Н+.
Транспорт веществ из кровеносных сосудов в интерстиций ЦНСосуществляется с помощью диффузии, осмоса и фильтрации, т.е. перехода раствора через полупроницаемую мембрану (стенку сосуда) под действием градиента гидростатического давления между жидкостями по обе стороны этой мембраны. Градиент гидростатического давления создается либо деятельностью сердца (фильтрация в артериальном конце капилляра всех органов и тканей организма, а также образование первичной мочи в почке), либо гладкой мускулатурой желудочно-кишечного тракта и мышечного пресса, обеспечивающих повышение гидростатического давления в полости желудка и кишечника, что способствует всасыванию веществ в кровь.
Таким образом, механизмы вторичного транспорта веществ весьма разнообразны. Что касается вторичного транспорта ионов, то он осуществляется, как правило, с помощью простой диффузии через специальные ионные каналы.
Ионные каналы
Ионные каналы образованы белками, они весьма разнообразны по устройству и механизму действия.
Классификация ионных каналов проводится по нескольким признакам.
1. По возможности управления их функцией различают управляемые и неуправляемые каналы (каналы утечки ионов). Через неуправляемые каналы ионы перемещаются постоянно, но медленно, естественно, при наличии электрохимического градиента, как и в случае быстрого перемещения ионов по управляемым каналам, которые могут быть быстрыми и медленными. Потенциал действия в нейроне возникает в основном вследствие активации быстрых Na- и К-каналов. Управляемые каналы имеют ворота с механизмами их управления, поэтому ионы могут проходить только при открытых воротах.
2. В зависимости от стимула, активирующего или инактивирующего управляемые ионные каналы, основными каналами нейронов ЦНС являются потенциалчувствительные и хемочувствитель-ные каналы. При взаимодействии медиатора (лиганда) с рецепторами хемочувствительного канала, расположенного на поверхности клеточной мембраны, может происходить открытие его ворот, поэтому хемочувствительный канал называют также рецеп-торуправляемым каналом. Лиганд — это биологически активное вещество или фармакологический препарат, активирующий или блокирующий рецептор. Открытие ворот хемочувствительных каналов происходит в результате конформационных изменений рецепторного комплекса. Ворота потенциалзависимых каналов открываются и закрываются при изменении величины мембранного потенциала. Поэтому в конструкции их воротного механизма должны быть частицы, несущие электрический заряд.
3. В зависимости от селективности различают ионоселективные каналы, пропускающие только один ион, и каналы, не обладающие селективностью. В нейронах имеются Na-, K-, Са- и С1-селективные каналы. Есть каналы, пропускающие несколько ионов, например Na+, K+ и Са2+, т.е. не обладающие селективностью. Наиболее высока степень селективности потенциалчувствительных (потенциалзависимых) каналов, несколько ниже она у хемочувствительных (рецепторзависимых) каналов постсинаптических мембран, через каналы которых могут одновременно проходить ионы Na+ и К+.
4. Для одного и того же иона может существовать несколько видов каналов. Наиболее важными из них для формирования биопотенциалов являются следующие.
Каналы для К+. Калиевые неуправляемые каналы покоя (каналы утечки), через которые постоянно выходит К+ из клетки, что является главным фактором в формировании мембранного потенциала (потенциала покоя). Потенциалчувствительные управляемые ^-каналы сравнительно медленно активируются при возбуждении клетки в фазу деполяризации с последующим увеличением активации, что обеспечивает быстрый выход К+ из клетки и реполяризацию ее (генерация потенциала действия).
Каналы для Na+ — медленные (утечки) и быстрые: 1) быстрые а-каналы потенциалчувствительны, быстро активирующиеся при уменьшении мембранного потенциала, что обеспечивает вход Na+ в клетку во время ее возбуждения (восходящая часть потенциала действия). Затем эти каналы быстро инактивируются; 2) медленные неуправляемые Na-каналы — каналы утечки, через которые Na+ постоянно диффундирует в клетку и переносит с собой другие молекулы, например глюкозу, аминокислоты, молекулы-переносчики. Таким образом, Na-каналы утечки обеспечивают вторичный транспорт веществ и участие Na+ в формировании мембранного потенциала.
Устройство ионных каналов и их функционирование. Каналы имеют устье и селективный фильтр, а управляемые каналы — и воротный механизм, каналы заполнены жидкостью, их размеры 0,3 — 0,8 нм. Селективность ионных каналов определяется их размером и наличием в канале заряженных частиц. Эти частицы имеют заряд, противоположный заряду иона, который они притягивают, что обеспечивает проход иона через данный канал (одноименные заряды, как известно, отталкиваются). Через ионные каналы могут проходить и незаряженные частицы. Ионы, проходя через канал, должны избавиться от гидратной оболочки, иначе их размеры будут больше размеров канала. Диаметр иона Na+, например, с гидратной оболочкой равен 0,3 нм, а без гидратной оболочки — 0,19 нм. Слишком мелкий ион, проходя через селективный фильтр, не может отдать гидратную оболочку, поэтому он не может пройти через канал. Однако, по-видимому, имеются и другие механизмы селективности клеточной мембраны. Гипотеза «просеивания» не дает ответ, например, на вопрос: почему К+ не проходит через открытые Na-каналы в начале цикла возбуждения клетки? Но тем не менее она дает удовлетворительное, а в некоторых случаях и абсолютно убедительное объяснение избирательной (селективной) проницаемости клеточных мембран для разных частиц и ионов.
Особенности функционирования различных видов управляемых каналов. Во-первых, они отличаются по степени селективности. Наиболее высока степень селективности потенциалчувствительных (потенциалзависимых) каналов. Во-вторых, у каналов разных видов может наблюдаться или отсутствовать взаимодействие между собой. Так, частичная деполяризация клеточной мембраны за счет активации хемочувствительных каналов может привести к активации потенциалчувствительных каналов, например для ионов, что обеспечивает возбуждение нейрона. Активация же потенциалчувствительных каналов не влияет на функцию хемочувствительных каналов нейронов.
Ионные каналы блокируются специфическими веществами и фармакологическими препаратами. Новокаин, например, как местный анестетик, снимает болевые ощущения, потому что он, блокируя Na-каналы, прекращает проведение возбуждения по нервным волокнам.
Открытие «животного электричества» и его сущность
Наблюдение биоэлектрических явлений. В конце XVIII в. (1786) профессор анатомии Болонского университета Луиджи Гальвани провел ряд опытов, положивших начало целенаправленным исследованиям биоэлектрических явлений. В первом опыте, подвешивая с помощью медного крючка на железной решетке препарат задних лапок лягушек со снятой кожей, ученый обнаружил, что всякий раз, когда мышцы касались решетки, они отчетливо сокращались. Л. Гальвани высказал предположение о том, что сокращение мышц является следствием воздействия на них электричества, источником которого выступают «животные ткани» — мышцы и нервы.
Однако другой итальянский исследователь — физик и физиолог Вольта — оспорил это заключение. По его мнению, причиной сокращения мышц был электрический ток, возникающий в области контакта двух разнородных металлов: меди и железа (гальваническая пара) — с тканями лягушки. С целью проверки своей гипотезы Л. Гальвани поставил второй опыт, в котором нерв нервно-мышечного препарата набрасывался на мышцу стеклянным крючком так, чтобы он касался поврежденного и неповрежденного ее участков. В этом случае мышца также сокращалась. Во ВТОРОМ опыте были получены абсолютные доказательства существования «животного электричества».