Влияние различного состава инкубационных сред нервного волокна на его функциональное состояние

Во время развития спайка поток ионов Na+, направленный внутрь, вызывает деполяризацию до тех пор, пока потокиNa+ внутрь и наружу сравняются, а потенциал на мембране приблизится к равновесному для ионов Na [19].После этого происходит инактивация Nа-каналов, прекращение потока Naвнутрь. Одновременно увеличивается проницаемость для К, который выходит теперь наружу по градиенту своего электрохимического потенциала. В этом процессе мембрана реполяризируется до тех пор, пока выход К не прекратится, а потенциал на мембране приблизится к равновесному калиевому потенциалу. Реполяризация проходит через быструю стадию гиперполяризации [12].Потенциал на мембране вновь достигает уровня потенциала покоя, однако это происходит в условиях повышенной концентрации ионов Nа и пониженной концентрации ионов К внутри клетки. Указанные отклонения от распределения ионов на покоящейся мембране могут нарастать при многократном прохождении нервных импульсов. В этих условиях постоянный уровень внутриклеточных концентраций К+ и Nа+ поддерживается Na-, К-АТФазой, выводящей Nа+ наружу в обмен на поступление К+ [8].Изменение потоков Nа+ и К+ (iNa и iK) во время потенциала действия (рис. 12) обеспечивается двумя типами ионных каналов для Na и К, проводимость которых по- разному меняется в зависимости от электрического потенциала на мембране. Nа - проводимость быстро нарастает и затем быстро экспоненциально уменьшается. Калиевая проводимость нарастает по S - образной кривой и за 5 - 6 мс выходит на постоянный уровень. Восстановление натриевой проводимости до исходных значений происходит в 10 раз быстрее, чем калиевой проводимости [22]. Вопрос о том, каким образом проводимость ионных каналов управляется электрическим полем, является одним из центральных в биофизике мембранных процессов. В модели Ходжкина-Хаксли предполагается, что проводимость для ионов Nа и К регулируется некоторыми положительно заряженными управляющими частицами, которые перемещаются в мембране при изменениях электрического поля. Смещение положения этих частиц в мембране зависит от приложенного потенциала и соответствующим образом открывает или закрывает ионный канал. Считается, что в случае калиевой проводимости имеются четыре активирующие канальную проводимость частицы. В случае Nа - канала предполагается наличие трех активирующих частиц, необходимых для открывания, и одной инактивирующей частицы - для закрывания канала. На основе этих предположений удалось построить математическую модель, с высокой точностью воспроизводящую нервный импульс. Главное достижение состоит в разделении трансмембранных токов на отдельные компоненты (iNa и iK) и в экспериментальном изучении их свойств [13]. В функциональной структуре канала были выделены элементы, ответственные за механизмы селекции ионов (селективный фильтр), активации (активационные ворота) и инактивации канала (инактивационные ворота) (рис. 13). Движение заряженных управляющих частиц в канале (воротных частиц) обнаруживается экспериментально по возникновению воротных токов. Они появляются в результате смещения частиц в мембране под влиянием наложенного на мембрану электрического импульса. Удалось обнаружить воротные токи смещения, связанные с частицами, отрывающими Nа-канал. Вместе с тем предположение, что перескок нескольких заряженных групп должен происходить через всю толщу мембраны, представляется маловероятным. Поэтому выдвигается другая интерпретация природы воротных токов. Предполагается, что токи смещения обусловлены не трансмембранным перескоком заряженных частиц, а кооперативным изменениемориентации диполей, выстилающих внутреннюю полость канала[11].Рисунок 13 - Строение ионногонатриевого каналаПолярные группы, определяющие дипольное окружение иона в канале, влияют на энергию иона и на прохождение его через канал. Если под влиянием деполяризующего электрического импульса изменяется их ориентация, то это вызовет смещение заряженных групп и изменение проводимости канала. Процесс переориентации диполей может носить кооперативный характер и быть достаточно резким. В этом случае энергия, необходимая для переориентации каждого элементарного диполя, должна зависеть не только от его собственной энергии, но и от доли диполей, уже изменивших свою ориентацию. Иными словами, по мере изменения ориентации части диполей энергия, необходимая для переориентации оставшихся диполей, уменьшается тем значительнее, чем больше число уже переориентированных диполей. Можно представить себе, что в исходном состоянии диполи "мешают" друг другу изменить ориентацию под действием поля, а переориентированные диполи уже "не путаются под ногами" у оставшихся [8].В результате такого рода кооперативного эффекта проводимость канала очень быстро "лавинообразно" нарастает под действием приложенного электрического импульса. Заметим, что и конформационные перестройки в канале, сопровождающиеся поворотом диполей, могут также приводить к скачкообразным изменениям проводимости в одиночном канале. Фактически во всех предложенных моделях речь идет о своего рода фазовых переходах в мембранах, лежащих в основе скачкообразных переходов канала между двумя состояниями [21].Распространение нервного импульса вдоль волокна происходит без затухания с постоянной скоростью. Внутренняя часть волокна на участке возникновения спайка заряжена положительно, а в соседних покоящихся участках - отрицательно (рис. 14). Вследствие этого возникает локальный ток между возбужденным и покоящимся участками. Направление его таково, что он деполяризует область мембраны перед активным участком, что также приводит к ее возбуждению и возникновению в ней спайка. Таким образом возбуждение передается дальше по волокну[13].Рисунок 14 - Заряжение поверхности нервного волокна при распространении импульсаНервное волокно можно уподобить электрическому кабелю, соседние участки которого связаны между собой. Однако в отличие от обычного кабеля распространение нервного импульса сопровождается его затуханием, поскольку в мембране имеются молекулярные "генераторы", подпитывающие бегущий импульс. Нахождение скорости распространения нервного импульса требует исследования кинетики ионных трансмембранных токов (iNa и iK+), тока утечки, а также знания электрических свойств нервного волокна (емкость и сопротивление)[19].Анализ соответствующих математических моделей показывает, что скорость распространения устойчивого импульса обратно пропорциональна квадратному корню из диаметра волокна, что совпадает с экспериментальными данными[2, 9, 14].В организме нервные волокна объединены в нервные стволы, где каждое волокно может самостоятельно проводить возбуждение. Электрическое поле, возникающее при этом в возбужденном волокне, влияет на мембранный потенциал соседних волокон, которые тем самым при некоторых условиях могут также возбуждаться.ЗаключениеОписание распространения нервных импульсов − потенциалов действия на основе измеренных параметров нервной клетки − явилось подтверждением картины динамики ионного транспорта на границе клеток живых организмов [16]. Выделяются две стадии данного процесса – пассивная и активная. Во время неметаболической (пассивной) стадии ионы Na+ и Ка+ переносятся внутрь и соответственночерез клеточную мембрану наружу клетки [20]. Для объяснения динамики ионов на активной стадии, соответствующей метаболическому переносу ионов Na+ и Ка+ в обратных направлениях, т.е. против действующего на них электрохимического потенциала, привлекают дополнительные соображения, например, использующие доставку необходимой энергии за счет превращения АТФ (аденозинтрифосфат) в АДФ (аденозиндифосфат) [9]. Основныоймеханизм активного транспорта ионов Na+ и Ка+ - механизм, который осуществляесяспецифическими мембранными белками за счет изменения их конформационной трехмерной структуры при подведении к ним химической энергии (молекулы АТФ) или при поглощении кванта света [20]. Рассмотрено обобщение задачи возбуждения аксона входной импульсной функцией не мгновенного действия, а с некоторым плавным нарастанием, в отличие от ранее рассмотренного мгновенного возбуждения (функция Хевисайда).Построено точное аналитическое решение на основе преобразования Лапласа и теоремы Эфроса. Исследовано распространение трансмембранного потенциала Vm(x, t) пассивной мембраны нервного волокна в ответ на включение и выключение импульса постоянного тока, подаваемого внутриклеточно в различные моменты времени.Приведен подробный численный анализ распределения трансмембранного потенциала в ответ на включение и выключение импульса постоянного тока при наличии запаздывания в различные моменты времени и исследован временной ход трансмембранного потенциала вдоль аксона на различных расстояниях от точки возбуждения.Показано, что с уменьшением величины отклонения возбуждения 1/b от ступенчатой функции значения трансмембранного потенциала Vm приближаются к предельному случаю, соответствующему функции Хевисайда. Установлено, что стационарное состояние вдоль аксона наступает практически в одно и то же время, при этом величина трансмембранного потенциала уменьшается с увеличением расстояния от точки возбуждения. Величина запаздывания существенно влияет на время установления стационарного состояния.Список литературы1. Беккер Ю. Спектроскопия. – М.: Техносфера, 2009 ‒ 528 с.2. Бибинейшвили Е.З., Родионова Н.Н., Юсипович А.И., Максимов Г.В. Изучение миелинового нервного волокна при модификации белок-липидных взаимодействий в миелине //Биол. Мембраны, 2013. – Т. 30, вып. 2.– С. 142-146.3. Бибинейшвили Е.З., Савикова И.Г., Юсипович А.И., Горбачева Л.Р., Максимов Г.В.4. Зайко Ю.Н. О распространении сигналов в нервном волокне. Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2009. Т. 9. № 1. С. 33-38.5. Изменение морфологии и структуры цитоплазмы нейрона в ответ на действие глутамата и изменение липидного бислоя плазматической мембраны //Биол. Мембраны, 2014. – Т. 31,вып. 2. – С. 83-87.6. Планирование эксперимента при определении микроэлементов в водных растворах методом атомно-абсорбционной спектроскопии / В. И. Барсуков // Вестн. Тамб. гос. техн. ун-та. – 2016. – Т. 22, № 1. – С. 114 – 121.7. Пути передачи информации / Д.Нельсон, М. Кокс. Основы биохимии Ленинджера в 3-х томах. Том 3. М.: Бином. Лабораторные занятия, 2017. – 448 с.8. Солвей Дж. Г. Наглядная медицинская биохимия. Учебное пособие /Пер. с англ. А.П. Вабищевич, О. Г. Терещенко; Под ред. Е. С. Северина. – М.: «ГЭОТАР-Медиа», 2018. –164 с.9. Структура и функции ионных каналов возбудимой клетки:Учебное пособие / Г.Ф. Ситдикова, Р.Н. Хазипов, A. Hermann. – Казань: Казанский университет, 2011. – с.9610. Сухаренко Е.В., Недзвецкий В.С., Максимов В.И. Эффекты ионов алюминия на состояние нервной ткани солнечного окуня в различные сроки онтогенеза. Вестник АПК Ставрополья. 2015. № 1 (17). С. 119-124.11. Ткачук В.А., Воротников А.В., Тюрин-Кузьмин П.А. Основы молекулярной эндокринологии: Рецепция и внутриклеточная сигнализация / под ред. академика РАН В.А. Ткачука. – М. : «ГЕОТАР-Медиа», 2017. – 256 с.12. Фаллер Д.М., Шилдс Д. Молекулярная биология клетки. Руководство / Пер. с англ. А. Анваера, Ю. Бородиной, К. Кашкина. М.: Бином, 2017. – 256 с.13. Хазиев Э.Ф., Самигуллин Д.В., Ценцевицкий А.Н., Бухараева Э.А., Никольский Е.Е.ATP уменьшает вход ионов кальция в нервную терминаль, блокируя кальциевые каналы L-типа. Acta Naturae (русскоязычная версия). 2018. Т. 10. № 2 (37). С. 100-103.14. Аbbott L.F., Kepler Т.B. Model neurons: from Hodgkin-Huxley to Hopfield // Stаtisticаl Mechаnics of Neurаl Networks, L. Gаrrido, ed., no. 368 in Lecture notes in Physics, SpringerVerlаg, 1990. P. 5–18.15. Dominique Debаnne. Informаtion processing in the аxon // Nаture Reviews Neuroscience. 2004. Vol. 5. No. 4. P. 304–316.16. Deák F., Schoch S., Liu X., Südhof T.C., Kаvаlаli E.T. Synаptobrevin is essentiаl for fаst synаptic-vesicle endocytosis // Nаt. Cell. Biol., 2004. – 6 (11). – P. 1102-1108.17. Gаrciа-Bereguiаin M.А., Sаmhаn-Аriаs А.K., Mаrtin-Romero F.J., Gutierrez-Merino C. 2008. Hydrogen sulfide rаises cytosolic cаlcium in neurons through аctivаtion of Ltype Cа2+ chаnnels. Аntiox. Redox Signаl.– 10.– P. 31–41.18. Hodjkin А.L., Hаxley А.F. The duаl effect of membrаne potentiаl on sodium conductаnce in the giаnt аxon of Loligo.//J. Physiol. 1952. Vol. 116. P. 497−551. 19. Hu Q., Joshi R. P. Аnаlysis of intense, subnаnosecondelectricаl pulse-induced trаnsmembrаne voltаge inspheroidаl cells with аrbitrаry orientаtion // IEEETrаnsаctions on Biomedicаl Engineering.– 2009.–56,N 6.– P. 1617–1626.20. Joshi R. P., MishrаА., Song J., Pаkhomov А. G.,Schoenbаch K. H. Simulаtion studies of ultrаshot,high-intensity electric pulse induced аction potentiаlblock in whole аnimаl nerves // IEEE Trаnsаctionson Biomedicаl Eng.– 2008.– 55, N 4.– P. 1391–1397.21. LoPаchin R.M., Bаrber D.S. Synаptic cysteine sulfhydryl groups аs tаrgets of electrophilic neurotoxicаnts. Toxicol.– 2006. – Sci. 94 (2). – P. 240–255.22. Sessа B. Cаn psychedelics hаve а role in psychiаtry once аgаin? – 2005. – № 186. – P. 457-458