Лекция 7 Биофизика процессов биоэлектрогенеза На сегодняшней лекции мы рассмотрим следующий раздел биофизики клеточных процессов биофизику процессов биоэлектрогенеза icon

Лекция 7 Биофизика процессов биоэлектрогенеза На сегодняшней лекции мы рассмотрим следующий раздел биофизики клеточных процессов биофизику процессов биоэлектрогенеза



Смотрите также:
Лекция 7,8. Биофизика процессов биоэлектрогенеза

На сегодняшней лекции мы рассмотрим следующий раздел биофизики клеточных процессов – биофизику процессов биоэлектрогенеза.

Биоэлектрогенез – это способность живых организмов к генерации электрических потенциалов. Впервые такая способность была показана Гальвани в конце 18 века.

Процессы биоэлектрогенеза связаны в первую очередь с мембранными структурами. Так разности потенциалов могут формироваться между различными сторонами плазматической мембраны, сопрягающих мембран (мембраны митохондрий и хлоропластов) и др. Традиционно в рамках биофизики процессов биоэлектрогенеза изучают в первую очередь биоэлектрические процессы, связанные с плазматической мембраной.

В самом общем смысле биоэлектрические потенциалы на плазматической мембране можно разделить на стационарные потенциалы и потенциалы возбуждения. Кроме того, можно отметить автоколебательные изменения мембранных потенциалов.

Стационарные потенциалы – это разности электрических потенциалов между цитоплазмой и внешней, по отношению к клетке, средой, которые остаются стабильными во времени или меняются достаточно медленно. Основным типом стационарных потенциалов является потенциал покоя (ПП), который представляет собой разность электрических потенциалов между внешней и внутренней средой в покое. Другими примерами стационарных потенциалов являются, например, демаркационный потенциал или разность потенциалов между поврежденным и неповрежденным участками живого объекта (РИС – мышца), фотоэлектрическая реакция у растений – медленные изменения ПП, развивающиеся при переходах свет-темнота и темнота-свет и др. Следует отметить, что все приведенные только что примеры стационарных потенциалов тесно связаны с ПП и – по сути – представляют определенные, частные формы его реализации, поэтому рассмотрим ПП подробнее.

Потенциал покоя

Величины ПП составляют – -50 – -80 мВ в клетках животных и около -150 мВ в клетках растений, хотя у некоторых водных растений ПП может достигать и -270 В.

В общем случае, ПП может включать в себя две компоненты – пассивную или диффузионную и активную или метаболическую. Пассивная компонента связана с преобразованием в потенциал энергии уже имеющихся градиентов ионов на мембране. Активная – с функционированием систем активного транспорта, в первую очередь – систем первичного активного транспорта – транспортных АТФаз для ионов.

Однако в нервных клетках животных, которые мы рассмотрим в первую очередь, так как они являются наиболее изученным и наиболее традиционным объектом исследования в биофизике биоэлектрогенеза, вклад метаболической компоненты составляет не более 2% и им можно пренебречь. Поэтому, при описании ПП в нервных клетках обычно учитывают только диффузионную компоненту. Рассмотрим ее подробнее

Диффузионная составляющая ПП

Общий принцип возникновения диффузионного потенциала такой же, как у потенциала Нернста (ЕСЛИ НУЖНО – НАПОМНИТЬ РАВНОВЕСНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ) и связан с избирательной проницаемостью биомембран: их большей проницаемостью для ионов калия и меньшей – для ионов хлора и натрия. Отметим, что именно эти ионы – калий, натрий и хлор – играют ключевую роль в биоэлектрогенезе клеток животных, что было показано путем анализа влияния на ПП перфузии нерва растворами различных ионов разной концентрации и путем использования блокаторов – химических агентов, специфически блокирующих ионные каналы определенного типа.

При этом следует отметить, что у интактных нервных клеток животных содержание ионов калия высоко в цитоплазме клетки и низко во внешней, по отношению к клетке среде. Отсюда равновесный потенциал для калия - -70 - -90 мВ. С ионами натрия дело обстоит противоположенным образом – их содержание больше вне клетки. Равновесный потенциал для натрия - +40 - +50 мВ. У растений выраженный градиент по натрию отсутствует, однако по калию он присутствует. Калиевый равновесный потенциал у растений - -100 мВ.

Учитывая, что соотношение проницаемостей для плазматической мембраны в покое для калия / натрия / хлора составляет 1 / 0.04 / 0.45, т.е. что калиевая проницаемость является наибольшей, в наиболее упрощенном случае, можно приравнять потенциал покоя на мембране к хлорному равновесному, ошибка при это не будет в большинстве случаев превышать 10-20 мВ, так как средняя величивелчна л покоя на мембране к хлорному равновесному, ошибка при это не будет в большинстве случаев превышать 10-20 мВ, так среднна калиевого равновесного потенциала будет – -70- -90 мВ.

Однако, следует отметить, что несмотря на близкие величины, между реальным ПП и равновесным потенциалом для калия, между ними имеется принципиальная разница. Так потенциал Нернста для калия является равновесным, т.е. соответствует минимальной свободной энергии системы. Его достижение означает, что такая система не обладает резервами энергии и не является лабильной. В то же время, реальный ПП является стационарным – т.е. соответствующий ему уровень энергии не является минимальным и лабильность такого потенциала может быть достаточно высока.

Поэтому выведем более точное выражение для расчета диффузионного потенциала, если использовать уравнения для потока Гольдмана-Ходжкина-Катца для ионов каля, натрия и хлора:







Полученное уравнение позволят достаточно точно рассчитать диффузионный потенциал на мембране нервных клеток в покое. Полученное уравнение с небольшими модификациями может быть использовано и для описания вклада других градиентов ионов в пассивную компоненту ПП.

Отметим, что Р обычно определяются экспериментально, с использованием метода меченых атомов. Для этого внутрь исследуемых клеток загружают соль нужного иона (или его аналога), в которой исходный ион заменен на радиоактивный изотоп (или радиоактивный аналог этого иона близкий к нему по своим свойствам). После чего оценивается скорость выхода изотопа из пробы и на основании уравнения Гольдмана-Ходжкина-Катца рассчитывается проницаемость.

Достоинствами приведенного метода описания ПП является его хорошее соответствие как эксперименту, так и теоретическим моделям электродиффузии. Однако, такой подход имеет и недостатки. Например, он не учитывает особенности транспорта ионов через ионные каналы, которые уже отмечались ранее. А главное, использование такой модели многократно усложняется при необходимости ввести в нее активный транспорт. Поэтому, весьма актуальными остаются и другие способы описания ПП, в частности - описание методом построения и анализа эквивалентных схем.

Эквивалентная схема – представляет собой некий аналог мембраны, включая ее каналы и другие мембранные структуры, составленную из стандартных элементов электрических цепей. Так, если мы хотим описать простейшую мембрану, в которой отсутствуют эффекты, связанные с избирательной проницаемостью и активный транспорт, то мы можем представить ее как конденсатор и омическое сопротивление, подключенные параллельно (РИС). Конденсатор в этой схеме отражает свойства мембраны, как барьера для транспорта ионов – мембрана с этой точки зрения представляет собой диэлектрик, разделяющий два проводника – растворы ионов с внутренней и наружной сторон, которые играют роль обкладок конденсатора. Омическое сопротивление или омическая проводимость отражает способность мембраны проводить ионы. Такая – очень упрощенная схема – может быть использована, например, для описания особенностей проводимости живых объектов для токов разной частоты, однако, очевидно, что она недостаточна для описания процессов генерации ПП.

Для того, чтобы описать ПП необходимо учитывать также элементы способные к генерации разности потенциалов в системе, т.е. в цепь должны входить ЭДС. Что играет роль ЭДС в мембране? С одной стороны – очевидно, что такую роль играют системы активного транспорта ионов. Для них ЭДС определяется энергией, выделяющейся при гидролизе АТФ, и величиной равновесного потенциала для транспортируемых ионов. С другой стороны – эту же роль могут осуществлять и ионные каналы, при условии наличия химического градиента для данного иона. В этом случае в качестве ЭДС такого элемента может выступать равновесный потенциал, транспортирующегося через ионный канал иона.

Приведем эквивалентную схему для уже описанной системы, включающей в себя мембрану и три типа ионных каналов (калиевые, натриевые и хлорные). Собственная проводимость мембраны много ниже, чем связанная с каналами, поэтому ей можно пренебречь. В этом случае, токи через каждый из элементов могут быть описаны как , где gi и Ei – проводимость и равновесный потенциал для иона i. Если учесть, что в стационарном состоянии сумма всех токов равна 0, то можно найти φ. Для калия, натрия и хлора это будет:



Такое же уравнение можно получить и путем прямого анализа приведенной эквивалентной схемы, с использованием правил Кирхгофа.

Основное преимущество такого описания, это возможность легко ввести в него активный ток ионов, связанный с транспортными АТФазами. Для этого достаточно представить протекающий через них ток, как . Недостатком такого описания является меньший учет механизмов, отвечающих за транспорт ионов, и в силу этого – менее детальное описание их свойств. Например, в приведенной форме такое описание не может учесть зависимости проводимости мембраны для различных типов ионов от концентрации этих ионов.

Диффузионная компонента ПП у растений в целом обладает близкими свойствами и описывается аналогично пассивной составляющей ПП животных. В то же время, на основе исследований с использованием блокаторов установлено, что соотношение проницаемостей для плазмалеммы несколько иное К / Na / Cl = 1 / 0.4 / 0.07.

Метаболическая составляющая ПП

Метаболическая составляющая ПП связана с работой транспортных АТФаз.

В нервных клетках животных ее вклад мал и связан с прежде всего функционированием электрогенной Na-К-АТФазы, которая переносит наружу 3 натрия, внутрь 2 калия и в результате формируется направленную наружу поток положительных зарядов. При этом низкая активность Na-К-АТФазы у животных связана с тем, что основная ее роль не генерация потенциала на мембране, а поддержание необходимого градиента ионов между клеткой и средой.

Иная ситуация у растений. Основным ферментом, участвующим в формировании метаболической компоненты мембранного потенциала является Н-АТФаза, вклад которой в общий ПП может достигать 60-70 % и выше. Так, например, при использовании ингибитора метаболизма (азид натрия) или специфического ингибитора Н-АТФазы плазмалеммы (ортованадат натрия) происходит значительное снижение величины ПП (РИС), что связано с угнетением помпы, вследствие снижения концентрации АТФ или вследствие прямого подавления ее активности. При этом, подавление активности Na-K-АТФазы в мембранах нервных клеток не вызывает столь быстрых изменений ПП и лишь после длительных интервалов времени, по мере диссипации натриевого и калиевого градиентов происходит снижение ПП.

Благодаря столь значительному вкладу в ПП участие Н-АТФазы растений в поддержании ионного баланса реализуется не столько за счет прямого переноса протонов, вклад диффузионных потоков которых в ПП достаточно ограничен, но в большей степени за счет создания химического и электрического градиентов, возникающих вследствие переноса этих протонов. Так поддержание высокой концентрации К в клетке достигается благодаря тому, что ПП у растений ниже равновесного для К и – как следствие – вход К происходит по градиенту электрического потенциала. Высокая концентрация Cl в клетке достигается за счет того, что градиент электрохимического потенциала протонов служит источником энергии для функционирования 2H/Cl-симпортера, т.е. обеспечивает вторичный транспорт хлора.

Следствием, высокого вклада метаболической компоненты в ПП у растений, является высокая лабильность потенциала. Так, например, постепенное охлаждение вызывает снижение величины мембранного потенциала, что связано, по-видимому, с высокой чувствительностью Н-АТФазы к температуре (так как Н-ТФаза – фермент, она более чувствительна к изменениям температуры, чем ионные каналы) (РИС). Другой пример лабильности ПП у растений, это так называемая фотоэлектрическая реакция, представляющая собой колебательные изменения потенциала в фотосинтезирующих тканях при переходах темнота-свет и свет-темнота. Этот процесс связан с изменениями активности Н-АТФазы и – вероятно – обусловлен колебаниями концентрации ее субстратов Н и АТФ, которые вызваны переходными процессами в ЭТЦ хлоропластов. По-видимому, с большей энергизацией клетки на свету связан и более отрицательный ПП в условиях освещения (на свету фотосинтез работает – больше АТФ – больше ПП).

Как описать вклад метаболической компоненты в ПП? Рассмотрим это на примере растений, у которых этот вклад значим.

Очевидно, что использовать строгий подход, в котором пассивные потоки ионов задаются уравнениями Гольдмана-Ходжкна-Катца достаточно сложно, так если описание работы Н-АТФазы этому уравнению не подчиняется, то получить итоговое уравнения для ПП проблематично. Впрочем, такой подход применяют при численном описании ПП и его изменений.

Более прост для использования подход с описанием эквивалентных схем. В этом случае, в эквивалентную схему просто «вписывается» ЭДС, соответствующая активности АТФазы (РИС). Соответственно, для растений с Н-АТФазой общий вид уравнения принимает вид: , где gP и ξР – собственная проводимость и ЭДС Н-АТФазы . Для расчета ЭДС можно использовать формулу , где ΔGАТФ – энергия выделяющаяся при гидролизе 1 моля АТФ, а – КПД Н-АТФазы, т.е. доля энергии АТФ, идущая на перенос протонов, n - количество молекул протонов, переносимых при гидролизе 1 АТФ. Если принять, что а=1, n=1, рНin = 7 и рНout = 6, то ξР = -0.45 В.

Таким образом, использование эквивалентных схем является достаточно адекватным методом, для описания ПП, при необходимости честь вклад их метаболического потенциала.

Функциональная роль ПП

Коснемся вопроса о функциональной роли ПП в клетках животных и растений.

Основная функциональная роль ПП в нервных клетках животных – это создание оптимальных условий для генерации ПД. Так благодаря стационарному характеру ПП, его величина может легко регулироваться при изменении соотношения проницаемости мембраны для различных каналов. Именно этот процесс лежит в основе ПД. Кроме того, связанная со стационарным характером ПП его «управляемость», позволяет ПП играть определенную роль в процессах рецепции внешних воздействий, когда то или иное воздействие активирует открытие определенных каналов и изменения ПП, в передаче сигнала (электрические и химические синапсы) и др.

У растений ПП с одной стороны выполняет те же функции, что и у животных, т.е. создает условия для генерации ПД и участвует в рецепции воздействий на клетку, с другой – имеется ряд дополнительных функций, которые клеткам животных присущи в меньшей степени. Это транспортная функция, так, как уже отмечалось, ПП является источником энергии для загрузки ионов К в клетку, усиливает транспорт сахарозы внутрь ситовидных элементов и т.д. Это регуляторная функция – модулируя значительное количество транспортных процессов на мембране, ПП может участвовать в их регуляции, активируя или ослабляя их. Это защитная функция – в частности, известно, что действие многих стресс-факторов (охлаждение, высокие концентрации солей и т.д.) вызывает быструю деполяризацию плазмалеммы; предполагается, что это приводит к снижению общего уровня метаболизма клетки и росту ее устойчивости. Имеется и ряд специфических функций ПП, которые присущи отдельным типам клеток и видам растений. Например, у ооцитов Xenopus-а локальные градиенты ПП влияют на дифференцировку клеток.

Связь ПП с другими видами стационарных потенциалов

Как уже отмечалось ПП – является основой большинства стационарных потенциалов в живых системах. Так разность поверхностных потенциалов между различными участками живого организма (например, корнем и побегом у растений) обусловлена разностью ПП в этих участках, так как чем выше ПП – тем больше поверхностный потенциал. Демаркационный потенциал обусловлен разностью между поверхностными потенциалами неповрежденного участка (с нормальным ПП) и поврежденного (где ПП диссипировал до «0», а значит нулю равен и поверхностный потенциал). Фотоэлектрическая реакция, которая проявляется в изменениях поверхностного потенциала, в конечном итоге отражает изменения ПП растительной клетки.

Т.е. именно ПП является наиболее универсальным из стационарных потенциалов.

Потенциалы возбуждения

Потенциалы возбуждения это быстрые изменения мембранного потенциала, имеющие обычно колебательный характер и возникающие в ответ на действие того или иного фактора. Это, в первую очередь, потенциалы действия. У растений также присутствует еще один тип потенциалов возбуждения – это вариабельные потенциалы.

Потенциалы действия в нервных клетках

ПД в нервных клетках являются наиболее изученным типом ПВ. Они представляют собой изменения МП импульсной формы (РИС), которые индуцируются деполяризацией мембраны (ДЕПОЛЯРИЗАЦИЯ – пояснить) и способны к распространению вдоль нервного волокна. ПД включают в себя две фазы - деполяризацию и реполяризацию, иногда наблюдается также следовая гиперполяризация. В максимуме ПД – МП может переходить в положительную область, т.е. происходит переполяризация мембраны – овершут.

Важной особенностью ПД является их подчинение закону «все или ничего» и наличие пороговых эффектов. Так, если мы действуем на мембрану «прямоугольными» деполяризующими импульсами тока (РИС), возможны следующие варианты ответа: (1) Импульс тока существенно ниже порогового – ПД не генерируется, наблюдается лишь ступенчатая деполяризация мембраны. (2) Импульс тока близок к пороговому – ПД не генерируется, но деполяризация мембраны приобретает нелинейный характер. (3) Импульс тока больше порогового – генерируется ПД. При гиперполяризующих импульсах тока – подобные эффекты не наблюдаются.

Еще одной особенностью ПД – является наличие абсолютной и относительной рефрактерности. Абсолютная рефрактерность – это состояние наблюдающееся непосредственно во время генерации импульса, которое характеризуется невозможностью вызвать генерацию ПД независимо от величины импульса тока. Относительная рефрактерность – наблюдается в течение некоторого времени после генерации ПД и сопровождается меньшей возбудимостью растительной мембраны, т.е. для генерации ПД требуется большая величина импульса тока.

Длительность ПД в нервной клетке составляет около 1 мс, амплитуда – около 80 мВ. Скорость распространения ПД в нерве сильно варьирует, от 0.5 м/с до 150 м/с и выше.

Рассмотрим отдельно механизм генерации и механизм распространения ПД.



Механизм генерации ПД был детально изучены в работах Ходжкина на гигантском аксоне кальмара. Это аксон диаметром около 0.5 мм, т.е. объект на котором достаточно легко измерять МП, у которого просто менять внутренний состав, перфузируя его растворами различного ионного состава, на него можно действовать различными блокатарами и т.д.

В ходе исследования этого объекта было показано, что генерация ПД связана с потоками ионов натрия и калия, причем первый из них отвечает за стадию деполяризации, а второй – за фазу реполяризации.

Более детальные исследования с использованием метода фиксации потенциала пояснить, СХЕМА), позволили исследовать динамику натриевых и калиевых токов через мембрану аксона.

Как видно из РИС, при значениях фиксированного потенциала выше порогового (-40 мВ), наблюдается двухфазная динамика натриевого тока – сначала значительный деполяризующий ток, который затем снижается к «0». Одновременно со снижением натриевого тока, растет калиевый ток, направленный в противоположенную сторону и реполяризующий мембрану.

Было предположено, что такая динамика изменений обусловлена изменением проводимости натриевых и калиевых каналов в мембране. При этом, вероятно, происходит следующая последовательность событий: начальная деполяризация до порогового уровня – активация натриевых каналов – формирование выходящего натриевого тока (деполяризующего) – формирование фазы деполяризации – постепенное закрытие натриевых каналов и открытие калиевых – прекращение деполяризующего натриевого и формирование реполяризующего калиевого токов – развитие фазы реполяризации.

Более детальные исследования подтвердили данную схему. В частности показано, то в максимуме ПД отношение K / Na / Cl меняется от 1 / 0.04 / 0.45 к 1 / 20 / 0.45. Т.е. проводимость для натрия резко возрастает.

При этом натриевые каналы имеют, по-видимому, три состояния – закрытое, открытое и инактивированное. Переход из закрытого состояния в открытое, по-видимому, обусловлен деполяризацией мембраны до порогового уровня. Переход их закрытого в инактивированное, по-видимому зависит от времени, т.е. отрытое состояние со временем (~ 0.4 мс) инактивируется, переходя в инактивированное. По-видимому, переход в инактивированное состояние определяет возникновение абсолютной и относительной рефрактерности. Калиевые каналы имеют, по-видимому, всего два состояния открытое и закрытое, переход между которыми также определяется деполяризацией.

На основании анализа динамики токов калия и натрия при ПД Ходжкиным и Хаксли была предложена математическая модель генерации импульса. В соответствие с ней, динамика потенциала на мембране определяется токами через нее, причем каждый из токов, зависит от состояния каналов:



где I – ток, действующий на мембрану, gNamax – максимальная проводимость для Na-каналов, gKmax – максимальная проводимость для К-каналов. m, h и n – это переменные, характеризующие состояние так называемых воротных частиц, которые модулируют проводимость натриевых и калиевых каналов. Вывод об их существовании был сделан Ходжкиным и Хаксли на основе анализа кривых зависимости кинетики тока через калиевый каналы от времени и потенциала. Было также предположено, что данные частицы движутся независимо друг от друга. Рассмотрим их подробнее

n – это вероятность нахождения активационной частицы для калиевого канала в таком состоянии, которое способствует открытию канала. Из анализа кривых зависимости для калиевого тока полагается, что для того чтобы открыть канал необходимо одновременное нахождение в данном состоянии 4-х воротных частиц, имеющихся в канале, причем переход этих частиц в нужное состояние идет независимо друг от друга.

Динамика такой вероятности может быть описана следующим дифференциальным уравнением:



где αn и βn константы скорости для перехода в открытое и закрытое состояние канала соответственно. Зависимость таких констант от потенциала описывается достаточно сложными уравнениями, полученные на основе анализа динамики калиевого тока.

Однако, если принять за начальный момент времени достижение мембранным потенциалом порогового уровня, то можно описать динамику n более простым уравнением:

, где n – величина n, при t→∞, τn – характерное время перехода активационной частицы для калия в «открытое» состояние. Решение такого уравнения: , отсюда мы можем найти динамику n. Такой вариант описания имеет еще одно преимущество – характерное время канала можно легко получить из эксперимента с фиксацией потенциала.

Для Na-каналов зависимость более сложна, так у канала предполагается 3 состояния. При этом есть два типа частиц – активационные m и инактивационные h. Для того, чтобы канал находился в открытом состоянии, необходимо чтобы в определенном положении находилось 3 активационные частицы (m3→1) и 1 инактивационная (h→1). Если это условие не выполняется, то канал находится либо в закрытом, либо в инактивированном состоянии. Динамика m и h также может быть описана дифференциальными уравнениями:





Если мы примем в качестве начального момента времени достижение порогового уровня МП, то уравнения будут выглядеть:

,

Их решение: и

Отметим, что даже при использовании упрощенного описания динамики воротных частиц, получить аналитическое решение уравнение для потенциала сложно. Поэтому при решении уравнения Ходжкина-Хаксли чаще всего используют численное решение, полученное для определенных значений параметров.

В целом, уравнение Ходжкина-Хаксли достаточно хорошо описывает генерацию нервного импульса. А если использовать детальное описание воротных частиц, то такая система уравнений может имитировать ряд важных свойств ПД – рефрактерность, пороговые эффекты и т.д.

Таким образом, модель Ходжкина-Хаксли с одной стороны важна как система описания ПД в нервных волокнах, а с другой – она показывает достаточность допущений лежащих в основе этого описания, т.е. показывает, что, используя их, можно воспроизвести все основные свойства ПД.

Следует отметить, что хотя воротные частицы были постулированы в модели, несколько позже появились данные о воротных токах. Т.е. о токах возникающих в возбудимых мембранах в условиях отсутствия ионов в среде. Существование таких токов рассматривается в качестве аргумента в пользу существования воротных частиц.

Однако в настоящее время высказываются предположения о том, что вместо независимых воротных частиц, в канале существует просто некая совокупность конформационных состояний с различной проводимостью, переходы между которыми являются функцией потенциала.

Распространения ПД происходит с помощью местных токов (РИС). Так деполяризация, вызванная генерацией ПД в одном из участков мембраны, приводит к появлению круговых местных токов, деполяризующих соседние участки мембраны. Как результат – генерация ПД происходит на соседних участках.

Если мембрана не способна к генерации распространяющихся ПД, то распространение изменения МП с помощью местных токов называется электротоническим распространением и зависит от кабельных свойств нервного волокна.

Эквивалентная схема нервного волокна при пассивном распространении представлена на РИС.



Зависимость величины вдоль волокна от расстояния вдоль нервного волокна может быть описано уравнением , где λ – кабельная постоянная: , где rm – это сопротивление мембраны, ro – сопротивление среды и rc –сопротивление цитоплазмы нервной клетки.

Для описания динамики потенциала, с произвольной зависимостью потенциала от времени можно использовать уравнение:



При решении полученного уравнения в общем виде, можно найти величину скорости ПД: , где Δφ – амплитуда ПД, dφ/dt – скорость изменения потенциала во время ПД.

Потенциалы возбуждения у растений

Потенциалы действия у растений имеют ряд отличий от ПД в клетках животных. Так ПД растений являются значительно более длительными – от долей сек – до 10-ков сек, фаза реполяризации у них включает в себя два этапа, обычно отсутствует овершут, в случае распространения – скорость распространения составляет около 1 см/сек, т.е. 2-4 порядка ниже, чем скорость нервного импульса. Имеются и другие отличия, например, ПД у растений не формируют больших серий импульсов в зоне раздражения, где наблюдаются лишь затухающие серии ПД. И в большинстве случаев полностью отсутствуют серии распространяющихся импульсов. Последнее, видимо, связана со значительными временами абсолютной и относительной рефрактерности для распространения сигнала от мин – до часов, что также на несколько порядков больше, чем для ПД нервных волокон (миллисекунды). Очевидно, что такие различия должны сопровождаться определенными различиями в механизмах ПД.

Отметим, что механизмы ПД растений изначально изучались у локомоторных растений, т.е. растений способных к определенным движениям в пространстве в ответ на тот или иной стимул. Это, например, мимоза, которая опускает листья в ответ на прикосновение, это венерина мухоловка, которая сдвигает листья ловушки, при попадании в нее насекомых и другие. У нелокомоторных изучение ПД началось с харовых водорослей, размеры клетки которых (диаметр – около 0.5-1 мм) делали их хорошим объектом исследований. Лишь с середины 20 века началось активное изучение ПД у нелокомоторных высших растений.

Несмотря на определенное разнообразие механизмов, было установлено, что важную роль в генерации импульса у растений также играют ионные потоки. Однако, роль деполяризующего агента в клетках растений играет не натрий, а хлор. Так как заряд хлора отрицателен, то для деполяризации требуются не входящие, а выходящие его токи. В то же время, хлорные каналы у растений являются не только потенциал зависимыми, но и лиганд-зависимыми, так как для их активации требуется связывание ионного канала с двумя ионами кальция. Это означает, что еще до развития стадии деполяризации ПД в клетку растения должен войти кальций. Так действительно происходит, поэтому самой в качестве самой первой стадии развития ПД у растений выступает вход ионов кальция, который происходит либо через потенциал-зависимые кальциевые каналы при распространении ПД или генерации, либо через другие типы Са-каналов при генерации сигналов, в ответ на действие различных раздражителей. При этом, непосредственный вклад Са в деполяризацию, по-видимому, мал. Роль реполяризующего агента у растений также как в нервных клетках играет калий.

Таким образом, итоговую схему генерации ПД у харовых водорослей можно представить на РИС.

Однако у высших растений механизм генерации ПД имеет, по-видимому, более сложный характер, так как известно, что на фазе деполяризации Са может не только активировать хлорные каналы, но и инактивировать Н-АТФазу, что вносит свой вклад в снижение потенциала на мембране. На фазе же реполяризации, происходит реактивация фермента, что вносит свой вклад уже в фазу реполяризации.

В целом, последовательность событий при генерации ПД у высших растений можно представить на РИС.

Распространение ПД у растений, также как и в нервных клетках, является электротоническим. Однако среда распространения несколько иная. Если в нерве, распространение происходит преимущественно вдоль нервного волокна, то у растений такой средой является, по-видимому, симпласт, т.е. единое пространство образованное цитоплазмами клеток, соединенных плазмодесмами. Надо отметить, что такая среда распространения не является уникальной чертой ПД у растений. Так, например, синцитий, по которому происходит распространение ПД в кардиомиоцитах, представляет собой близкую структуру – совокупность связанных между собой клеток.

Отдельно следует отметить, что у растений распространение ПД происходит далеко не всегда, т.е. возможны ситуации, когда генерация электрического ответа по типу ПД в зоне ответа не приводит к его распространению.

У растений присутствует еще один тип ПВ – ВП. Они имеют ряд характерных черт, отличающих их от ПД. Это (1) генерация в ответ на повреждающие раздражители. (2) Большая длительность (до 0.5 часа) и высокая вариабельность фазы реполяризации. (3) Способность проходить, через участки поврежденной и даже мертвой ткани. (4) Несколько более медленная скорость распространения, чем у ПД. (5) Имеются и другие отличия.

Механизмы генерации ВП неизвестны. Считается, что они могут быть связаны с обратимой инактивацией Н-ТФазы, однако вопрос об их механизмах нельзя считать окончательно решенным.

В качестве механизмов распространения ВП существуют три базовые гипотезы:

1. Электротоническая, которая предполагает, что ВП распространяется также как и ПД, но, возможно, по другим структурам листа.

2. Химическая, которая предполагает, что при повреждении выделяется определенное раневое вещество или фактор Рикка, которое при диффузии вдоль стебля вызывает местные электрические ответы (ВП).

3. Гидравлическая, в соответствие с ней повреждение вызывает локальное повышение давления воды в ксилеме и эта волна повышенного давления, распространяясь от зоны повреждения, вызывает генерацию ВП.

Необходимо отметить что ни одна из этих гипотез не объясняет в полной мере свойства ВП, поэтому сейчас многие авторы предполагают комплексную природу у реакций данного типа.

Функциональная роль ПД

У животных основная функциональная роль ПД связана с функционированием нервной системы и участием в передаче и обработке информации. Еще один важный аспект ПД у животных, это индукция мышечного сокращения, так как ПД запускает вход Са в миоцит.

У растений основные функции ПД – сигнальная и интегративная. Так ПД распространяясь передает сигнал о стресс-воздействии в другие части растения и запускает там цепочку функциональных ответов, повышающих в конечном итоге устойчивость растений к действию стресс-факторов.

По-видимому, сходную функцию имеют и ВП.

Автоколебательные процессы

Некоторые изменения МП не могут быть отнесены ни к стационарным потенциалам, ни к ПВ. Это автоколебательные процессы – т.е. незатухающие, постоянные во времени колебания потенциала, для поддержания которых не требуется внешнее воздействие. Это например, клетки-пейсмекеры – водители-ритма в нервной системе, МП которых колеблется во времени, индуцируя в максимуме деполяризации серии ПД.

У растений это так называемые микроритмы – колебания МП частотой 50 Гц и амплитудой 0.5 мВ.



Скачать 206.08 Kb.
Дата конвертации31.07.2013
Размер206.08 Kb.
ТипЛекция
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rud.exdat.com


База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2012
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Документы