Medinfo.ru
  


 
 
Советы специалистов »

Концепция локальных температурных микроградиентов. Модель генерации нервного импульса.

<<Назад / Далее>>

Проанализируем вышеперечисленные свойства цитоплазматических мембран с позиций их целесообразности для функционирования клетки, как самостоятельной живой самоорганизующейся единицы, так и как функциональной единицы целостного организма или органа.

Важность гомеостазиса температуры, рН, мембранного электрического потенциала логически вытекает из высокой стабильности их поддержания в организме. Каждая клетка выполняет работу по обеспечению баланса этих и многих других составляющих своей жизнедеятельности, при этом в соответствии со своей специализацией в организме за счет этой работы осуществляет одновременно и кооперативную функцию.

Рецептивные центры клетки, воспринимая кванты энергии, переходят в энергизованное состояние, вследствие чего составляющие его биомолекулы могут изменять свою конформацию, а также и ориентацию относительно окружающих молекул в целом или отдельных своих структурных групп, то есть происходят, по выражению С. В. Конева [12], элементарные регуляторные акты. Каждый элементарный акт представляет собой процесс, локализованный в пределах отдельных групп биомолекул. В области такого локального градиента энергии могут проявляться описанные выше свойства фосфолипидной мембраны и встроенных в нее белков, а именно, увеличение подвижности молекул и их конформационные перестройки, изменение вязкости мембраны, ускорение ферментативных реакций и так далее. С позиций молекулярно-кинетической теории эти эффекты можно трактовать как повышение температуры в микрообласти мембраны и рассматривать их как термозависимые. В таком случае, при учете данных о наличии надмолекулярной организации элементарных частиц биополимеров и липопротеидов в структуре мембран [16], возникает модель термоградиентных элементарных регуляторных актов [17]. Постараемся проанализировать ее в аспекте мембранного массообмена, в частности, транспорта ионов через мембрану.

Локальные микрообласти температурного градиента в фосфолипидной мембране могут возникнуть, как уже говорилось выше, за счет энергии внешнего воздействия на рецептивные структуры клетки. Наряду с этим аналогичные микрообласти, также сопровождаемые конформационными перестройками белковых молекул, могут образовываться в процессе жизнедеятельности клетки эндогенным путем, например, при гидролизе АТФ в процессах биосинтеза на мембране. Как в первом, так и во втором случае теплопродукция может совершать полезную работу по модификации структуры фосфолипидного бислоя, образуя за счет конформационных изменений биомолекул и вариаций величины промежутков между внутримембранными элементарными частицами микрообласти расширения и сжатия, тем самым, создавая в бислое прогибы и выпуклости. Следствием этих процессов будет возникновение микрофлуктуаций цитоплазматической мембраны и связанного с ней цитоскелета.

Такие микрофлуктуации обнаружены экспериментально. Известный цитолог Анри Поликар на основании исследований клеточных культур с помощью фазово-контрастной кинематографии отмечал, что "… поверхность клеток находится постоянно в состоянии движения и "дрожания". В отдельных точках клеточной поверхности могут возникать "выпячивания к наружи или инвагинации" [18, с. 116-117]. Эти явления, по мнению А. Поликара, играют фундаментальную роль в нормальной и патологической физиологии клетки и связаны с тепловым движением молекул. С помощью скоростной микрокиносъемки С.Г. Загускину и соавторам [19] удалось зарегистрировать пульсации участков ядра и поверхности глиальной клетки, период которых составлял от 1-2 до 100 мкс. Субмикронные 290±49 нм и 160±32 нм флуктуации были выявлены у мембран оксигенированных и дезоксигенированных эритроцитов соответственно, причем на амплитуду флуктуаций влияли концентрации 2,3-дифосфоглицерата, Mg2+, MgАТФ [20].

Трудно не согласиться с мнением А. Поликара о фундаментальной физиологической роли флуктуаций клеточных мембран, поскольку хорошо известно, что трансмембранный массообмен между разделенными мембраной средами, как в живых, так и в искусственных системах, непосредственно связан с явлением конвекции в примембранных слоях, которая в свою очередь активизируется при движении (вибрации) мембраны. Принцип работы, например, Nа+ К+ - насоса на основе терморегуляторного механизма упрощенно можно иллюстрировать схемой (рис. 2).

На схеме (рис. 2) цитоплазматическая мембрана изображена точками, расстояния между которыми в области прогиба увеличиваются. Это - условное отображение конформационных межмолекулярных перестроек, которые могут трактоваться как открытия так называемых "ворот" ионных каналов в микрообласти термоградиента. Вдавливание мембраны в цитозоль клетки создает там некоторое избыточное гидравлическое давление и часть цитозоли с возникшим преобладанием концентрации ионов Nа+ "отжимается" в зону прогиба, проходя сквозь участки расширения мембранной структуры, образующие так называемые "ворота" ионных каналов. После рассеяния термоградиента мембрана восстанавливает свое исходное положение, прогиб исчезает, "ворота" ионных каналов закрываются, но ионы Nа+, прошедшие через "ворота" уже оказываются вне клетки. Таким образом происходит выкачивание ионов Nа+ из клетки против электрохимического градиента, причем без помощи каких-либо транспортных молекул-посредников. Возможно, это общий и даже ведущий принцип механизма массообмена клетки.

Рис. 2. Схематическое изображение терморегуляторного механизма действия Nа+ - К+ - насоса: а - исходное состояние; б - прогиб мембраны внутрь клетки в области термоградиента, в - возврат в исходное состояние; Р - гидравлическое давление в цитозоле.

Явно выраженный механизм транспорта ионов посредством изменения кривизны цитоплазматической мембраны наглядно с помощью электронной микроскопии демонстрируется при образовании дисков в зрительных рецепторных клетках сетчатки. Мембрана наружного сегмента этих клеток прогибается внутрь сегмента, но после достижения достаточной величины прогиба уже не возвращается в свое исходное положение, как показано на схеме рис. 2. Вместо этого происходит стягивание и смыкание краев образовавшейся вогнутости (как при пиноцитозе), захватывающей с собой внеклеточную жидкость с высоким содержанием ионов Na+. Образовавшийся внутри клетки пузырек, отрываясь от стенки цитоплазматической мембраны, становится диском. В отличие от локальных микрофлуктуаций кривизны поверхности мембраны (рис. 2), в данном случае происходит генерализованный процесс в более широкой области с неупругой деформацией мембраны, ликвидируемой касательными силами поверхностного натяжения.

Еще одним примером присутствия механизма деформационного электрогенеза в цитоплазматических мембранах в выраженном виде может служить факт возникновения градиента мембранного электрического потенциала при функциональных изгибах волосковых клеток, расположенных в кортиевом органе улитки внутреннего уха.

Можно сказать, что в данных примерах сама Природа в увеличенном масштабе раскрывает свои микромеханизмы, а для их анализа уже может использоваться общебиологический принцип подобия.

Конечно, приведенная на рис. 2 схема весьма упрощена. При учете большой величины трансмембранной напряженности (Е) электрического поля несомненно, что даже малые флуктуации кривизны мембраны будут создавать амплитудные и фазовые колебания его вектора и градиенты Е между соседними микрообластями мембраны, а также вызывать локальные перераспределения ионов по поверхности бислоя и внутри ионных каналов, участвуя тем самым в формировании ионной селективности последних. На электролитических моделях биомембран показано, что напряженность электрического поля у вершины узкого впячивания в бислой в 1,5-2 раза превосходит значение, рассчитанное по формуле плоского конденсатора [21].

Поскольку реакции гидролиза АТФ и другие макроэргические реакции в клетке протекают непрерывно, то возникновение сопряженных с этими реакциями локальных термо- и электроградиентов также должно происходить непрерывно в структуре всей цитоплазматической мембраны. Это можно рассматривать как постоянно обеспечиваемый работой молекулярных макроэргов колебательный процесс, направленный на поддержание ионного баланса внутриклеточной среды и трансмембранной разности электрического потенциала. По сути, это механизм преобразования теплопродукции клетки в локальные градиенты электрического поля и их колебания. Вероятно, должен иметь место и обратный механизм, то есть преобразование электрических градиентов в двигательные акты и теплопродукцию клеток. Эту мысль подтверждают эксперименты, показавшие, что мембранные АТФ-азы способны поглощать свободную энергию из приложенного осциллирующего электрического поля и превращать ее в энергию химической связи АТФ или в химическую потенциальную энергию концентрационных градиентов [22]. При этом указывается, что только осциллирующее или флуктуирующее электрическое поле может быть использовано ферментом для сдвига химической реакции в сторону от равновесного состояния.

Изложенная динамическая модель ионного транспорта существенно отличается от известной модели Na++-насоса Ходжкина-Хаксли [23], на которой базируются современные представления о процессе генерации нервного импульса. Однако она находится в соответствии с опытами А. Хилла по измерению теплопродукции во время генерации нервного импульса, показавшими наличие нагрева в этот период [24]. По теории Ходжкина-Хаксли должно быть, наоборот, охлаждение, поскольку в основу механизма генерации положен градиент концентрации ионов. Кроме того, опыты по перфузии аксона показали, что даже при наличии нужных ионных градиентов генерация потенциала действия прекращается при отсутствии в перфузате (растворе, пропускаемом через аксон) АТФ и цАМФ. Несовершенство своей модели понимал и сам А. Ходжкин, указывая на отсутствие четких представлений о механизмах изменений проницаемости мембраны [23, c. 85].

В 1986 году в Чехословакии была опубликована статья А. Петрова и Л. Мирчевой [25], в которой на примере Na+-K+-насоса обсуждается модель, полагающая наличие кривизны фосфолипидной мембраны в зоне "насоса" вследствие конформационного изменения молекулы белка при гидролизе АТФ. При этом высказывается гипотеза, что изменения кривизны мембраны создают электрическое поле, обеспечивающее транспорт ионов против электрохимического градиента. Это уже очень близко к вышеприведенной модели микротермоградиентов. Предположение о наличии термодинамически обусловленных деформационных изменений (прогибов) бислойных миелинизированных мембран было использовано А. Н. Несмеяновым с соавт. [26] для весьма логичного объяснения механизма ионного транспорта при генерации в нервном волокне потенциала действия.

По мере прохождения нервного импульса в перехватах Ренвье миелинизированного нервного волокна регистрируется электрический потенциал деполяризации. Обычно, в соответствии с моделью Ходжкина-Хаксли, волна деполяризации, распространяющаяся по перехватам Ренвье нервного волокна, объясняется как механизм, необходимый для воспроизведения потерь энергии нервного импульса при его передаче. Однако можно предположить, что регистрируемые электрические потенциалы действия в нервном волокне лишь производные от другого процесса. Таким другим процессом, вполне вероятно, является распространение по нервному волокну фононов или акустических волн. Именно такую гипотезу высказывает уже многие годы А. Н. Масолов [27]. В этом случае возможно объяснение доселе непонятного явления желатинизации (увеличение вязкости) аксоплазмы в период возбуждения аксона [28] как отражения ее жидкокристаллического структурирования либо в акустической волне, либо в возникающем автоволновом процессе. Эффект же деполяризации мембраны и возникновение потенциала действия в перехватах Ренвье отражает процессы ионного транспорта, необходимые для жизнедеятельности нервных клеток. В синапсах акустические колебания (фононы) должны порождать соответствующие электрокинетические процессы выброса и транспорта медиаторов, а также конформационные модификации синаптической структуры. Известно, что конформационные перестройки синапсов формируют их физиологическую активность и роль в структуре нейронных сетей [29, 30, 31].

Экспериментально оптическими методами давно обнаружены структурные изменения мембраны и оболочки нервного волокна, распространяющиеся вместе с потенциалом действия [32]. Л. П. Каюшиным и Р. Г. Людковской еще в 1954 году в опытах на изолированном седалищном нерве и нервно-мышечном препарате лягушки обнаружены смещения участка поверхности нерва порядка 0,03 мкм в момент раздражения электрическим током. Наблюдались и спонтанные колебания поверхности нерва с периодом от 20-100 мс до нескольких секунд [33]. В последующей работе [34] этими же авторами было показано, что восходящая фаза упругого смещения нерва совпадает по длительности с фазой отрицательного электрического потенциала и первой фазой теплообразования. Эти исследования привели авторов к выводу о том, что "химические превращения, совершающиеся в нерве при возникновении и проведении возбуждения, находят свое структурное выражение в упругих изменениях нерва".

Таким образом, в свете модели локальных термоградиентов и экспериментально обнаруженных фактов, возникает следующая логическая схема. Термоградиенты локальных участков мембраны (эти участки, по-видимому, отнюдь не хаотичны, а определены рецептивными центрами, белками-рецепторами и структурной организацией цитоскелета) создают флуктуации рельефа ее поверхности с зонами расширенной пористости структуры, регулируя через них ионный транспорт и электрогенез мембраны, одновременно с этим создавая акустическую волну, которая способна переносить энергию и информацию в межклеточных взаимодействиях и транслировать сигнал по нервным волокнам - специфическим природным волноводам. Причем продольная акустическая волна способна порождать изменения электрического потенциала, возбуждая при этом электрические и магнитные поля с различной фазово-пространственной топологией, и наоборот, возникновение по механизму локальных термоградиентов потенциала действия способно порождать акустический импульс или автоволновый акустоэлектрический процесс.

Изложенные в данном разделе соображения отнюдь не являются строгой теорией, описывающей процесс генерации нервного импульса. Здесь еще не все ясно и нужны целенаправленные исследования с точной метрологической оценкой.

В аспекте рассматриваемых колебательных процессов и развиваемой концепции локальных термо- и электроградиентов складывается взгляд и на явление латеральной диффузии молекул в фосфолипидной мембране как на энергозависимый нелинейный процесс, направленный на перераспределение молекул от микрозон повышенной энергизации к зонам относительного спокойствия, а не как на хаотическое броуновское движение. По Н. Винеру и А. Розенблюту [35] наличие чередования точек возбуждения (энергизации), покоя и абсолютной рефрактерности является необходимым условием существования непрерывной возбудимой среды. Сам факт высокой скорости латеральной диффузии и вращения молекул (их величины приведены в начале данной главы), по-видимому, очень важен для поддержания на должном уровне метаболизма клетки и вряд ли может быть объяснен хаотическим тепловым (броуновским) движением. Следует отметить, что прямыми экспериментальными исследованиями В. П. Агафонова [36] было доказано, что вклад механизма простой (пассивной) физической диффузии, связанной с тепловым хаотическим движением атомов и молекул, в биологических процессах ничтожно мал, поскольку это крайне медленный процесс как таковой. Основную же роль в массообмене клеток играют активные процессы транспорта веществ и, в первую очередь, конвективный транспорт, обеспечиваемый наличием непрерывных флуктуаций в биоструктурах.

Вышеизложенные аспекты клеточной биофизики были рассмотрены в этом разделе в связи с необходимостью проанализировать спектр возможных механизмов информационной взаимосвязи посредством нервной сети между клеточными организациями, отдельными рецепторами и органами чувств в свете формирования теории биологических механизмов сознания.




ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ БИОЛОГИЯ СОЗНАНИЯ
Петраш В. В.
Издательство "ИНТАН", Санкт-Петербург, 2003, 128 c., УДК 612.821, ББК 28.91


ГЛАВА 1
ГЛАВА 2 (Биофизика рецепции)
ГЛАВА 3 (Органы чувств)
ГЛАВА 4 (Память, сознание, мышление)
ГЛАВА 5
ГЛАВА 6

 


Наши партнёры



В интернете


Medline.ru: "Кислород и явления запрограммированной смерти..."


Последние новости





Предложение о сотрудничестве

Если Вы хотите, чтобы о вас узнали - заявите о себе. Мы вам поможем сделать вашу рекламу более эффективной.

Посещаемость сайта, размер и расположение наших рекламных площадей обеспечивает рекламодателю эффективное и узконаправленное воздействие на аудиторию.
 


Medinfo.ru: свидетельство о регистрации ЭЛ№ ФС77-37722 от 13.10.2009г.
Главный редактор: кандидат медицинских наук Гавриленкова Людмила Павловна
Редакционная коллегия

Адрес редакции: 199406, Санкт-Петербург, ул.Гаванская, д. 49, корп.2

Сайт может содержать материалы, не предназначенные для лиц младше 18 лет.

Связаться с нами

Разработка и поддержка OOO "ИЦ КОМКОН"