Метроном: як керувати розрядами?


Як багато механізмів та чудес техніки придумано людиною. Як багато запозичено ним у природи. Просто дивовижно наскільки в світі все гармонійно та єдино і підкорюється загальним законам, що можна проводити безліч аналогій між всілякими механізмами та біологічними процесами. У даній статі спробуємо порівняти механічний прилад — метроном — з фізіологічною властивістю організму — здатністю генерувати та регулювати ритмічну активність.

Метроном… що ж це за штука така? А це той самий прилад, котрий використовують музиканти для встановлення ритму. Метроном рівномірно відстукує удари, тим самим дозволяючи зберегти необхідну тривалість кожного такту протягом виконання всього музичного твору. Перші метрономи з’явились, вже коли людина почала серйозно захоплюватись музикою. Але погодьтесь, що музика природи існувала набагато раніше. І у природи давно є свої власні метрономи, а «винайдені» вони навіть задовго до того, як з’явилась людина.

Першим, що спадає на думку при згадці того, що ж в організмі може бути схожим на метроном, це серце. А й справді, дуже нагадує метроном, чи не так? Так само рівномірно відстукує удари, хоч бери та музику грай! Але в нашому серцевому метрономі важливо не стільки висока точність інтервалів між ударами (хоча це також має місце), скільки взагалі можливість постійно підтримувати ритм, не зупиняючись. Саме ця властивість і буде головною нашою темою сьогодні. Де ж в тому метрономі захована пружина, яка дозволяє це робити? Як вона виглядає і яким чином працює, запускаючи ритміку?

І вдень і вночі без зупину…

Всі ми знаємо (а навіть більше – можемо відчути), що наше серце працює постійно і самостійно. Адже ми не замислюємось над тим, щоб контролювати роботу серцевого м’язу. У той час, коли ми робимо різні свої справи, сидимо на лекціях, їмо, спимо, наше серце працює. Воно може працювати без будь-якої необхідності у зовнішніх стимулах. Дивовижно, що навіть повністю ізольоване від організму серце буде ритмічно скорочуватись і абсолютно автономно. Дивіться відео:

До речі, якщо ви бували в Інституті фізіології імені Богомольця на Днях науки, то могли бачити демонстрацію цього ефекту на власні очі.

Як це відбувається? За рахунок чого? Ця неймовірна властивість — серцевий автоматизм — забезпечується провідною системою серця, яка ритмічно генерує імпульси і розповсюджуює по всьому серцевому м’язу та змушує його скорочуватись. До речі, саме тому елементи провідної системи і називаються водіями ритму – пейсмекерами (від англ. рacemaker – той, що задає ритм). Та все одно, питання залишається. Як у них це виходить? Давайте розбиратись.

Імпульси – це електрика. Добре, звідки береться електрика в організмі, зокрема в серці, ми знаємо. Мембранний потенціал спокою (МПС) і всяке таке. Тобто різниця іонного складу, а внаслідок і різниця зарядів, по різні боки непроникної для іонів мембрани клітини створює можливість генерувати імпульси. При відповідних умовах на мембрані відкриваються канали (отвори), через які проходять іони, що прагнуть вирівняти свої концентрації з обох сторін мембрани. Виникає потенціал дії (ПД), котрий і є тим самим імпульсом, електрикою, що розповсюджується по нашим нервовим волокнам і зрештою приводить до скорочення м’язів. Після закінчення потенціалу дії, іони повертаються на свої вихідні позиції і мембранний потенціал відновлюється, що дозволяє знову і знову генерувати імпульси. Але генрація цих імпульсів потребує зовнішніх стимулів. Як же так виходить, що пейсмекери самостійно генерують потенціали дії без всіляких зовнішніх стимулів? Як досягається така автономність?? Наберіться терпіння. Для початку треба згадати деякі подробиці механізму генерації потенціалу дії.

Потенціал – звідки беруться можливості?

Вище ми вже казали, що мембрана клітини має різницю зарядів по різні сторони, тобто поляризована (коли на внутрішній стороні багато негативних зарядів, а на зовнішній – позитивних, рис.1). Власне ця різниця і є мембранним потенціалом, вимірюється в мілівольтах та має значення приблизно -70мВ (при чому у різних клітинах ця цифра може варіювати).

Канали мембрани, що являють собою пори, або, грубо кажучи, отвори, представлені у великій різноманітності. В залежності від іона, який можуть пропускати бувають натрієві, калієві, кальцієві, хлорні канали. Зрозуміло, що вони здатні відкриватися і закриватися, але роблять це не просто так, чи коли їм заманеться, а під дією певного впливу – стимулу. Після закінчення дії цього впливу канали закриваються. Стимул – наче дзвінок у двері від бажаного гостя: він дзвонить, двері відчиняються і гість заходить. Стимулами можуть бути: чи то механічна дія, чи то хімічна речовина, чи то електричний струм або зміна мембранного потенціалу. Відповідно є канали механо-, хімічно- та потенціалчутливі, як двері з кнопкою для дзвінка, яку зможуть натиснути лише бажані гості і за певних погодних умов.

Отже, під дією стимулу певні канали відкриваються і пропускають іони. Відбувається зміщення мембранного потенціалу. Ці зміщення можуть бути різного спрямування в залежності від заряду або напрямку руху іонів. В разі коли іони позитивного заряду входять всередину відбувається деполяризація – тобто короткочасна зміна знаку зарядів по різні боки мембрани (зовні стає негативним, а всередині – позитивним) (рис.2). Щоб краще усвідомити поняття: приставка “де-” означає «рух донизу», «зниження», тобто в цьому випадку зменшується поляризація мембрани, і числовий вираз негативності потенціалу по модулю набуває менших значень (наприклад, з початкового -70 мВ до -60мВ і так далі). Коли ж всередину клітини входять іони з негативним зарядом, або позитивні виходять з неї, відбувається гіперполяризація – накопичення негативного заряду зсередини і позитивного ззовні мембрани. Приставка «гіпер-» – «надмірність» і поляризація навпаки стає ще більш вираженою, МПС набуває більш негативних значень (від -70 мВ до -80 мВ, наприклад). Але невеличких зсувів МП ще не достатньо для генерації імпульсу, що буде розповсюджуватись далі, адже, за визначенням, потенціал дії – хвиля збудження, що розповсюджується по мембрані живої клітини у вигляді короткочасної зміни потенціалу на невеликому відрізку (рис.2). По суті це та ж деполяризація, але вже в більших масштабах.

Отже, щоб досягти цих більших масштабів деполяризації, треба відповідно знайти спосіб збільшити позитивний заряд зсередини мембрани, запустити туди більше позитивних іонів, треба відкрити більше каналів. Для цього і існують канали, що відчувають зсуви МП — потенціалчутливі. Ті значення МП, при якому відкриваються деполяризуючі канали називаються порогом і діють як спусковий гачок. Першими при генерації потенціалу дії відкриваються канали, які пропускають позитивні іони натрію (рис.2, синя ділянка, і рис.3, позначка 1). Таким чином, відбувається ще більш значний зсув МП. Тим же шляхом вирішується і проблема розповсюдження потенціалу. При досягненні порогових величин потенціалу відкриваються сусідні потенціалчутливі канали, спричинюючи швидку деполяризацію, що поширюється по мембрані далі і далі. А якби порогового рівня не було б досягнуто, не відкрилась би велика кількість каналів, деполяризація не досягла б сусідів і зсув мембранного потенціалу залишився б невеличкою локальною подією(рис.3, позначка 4).

Потенціал дії, як і кожна нормальна хвиля, має і низхідну фазу (рис.3, позначка 2), що називається вже реполяризацією (ре — означає – «відновлення»), коли заряди на мембрані необхідно повернути до попереднього стану. Це зазвичай відбувається завдяки відкриттю калієвих каналів. Хоч іони калію також позитивні, але їх рух вже спрямований назовні (зелена ділянка на рис.2). Тому відтік позитивних зарядів з клітини врівноважує кількість позитивних зарядів, що надійшли в клітину. Та щоб повністю відновити можливість повторного генерування ПД у клітини існують певні механізми, серед яких натрій-калієвий обмінник, забезпечуючий повернення натрію назовні, а калію всередину.

Продовження читайте тут.

Стаття вперше була опублікована на сайті «Біомолекула» російською мовою.

Джерела

Обговорення

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *