История биологии с начала XX века до наших дней - [143]

Внутриклеточные микроэлектроды применяются и для воздействия на клетку: для электрического раздражения одиночный клетки и для введения в нее посредством электрофореза различных веществ, в частности, для изменения содержания отдельных ионов.

Физиологические исследования, проведенные при помощи микроэлектродной техники и многих биохимических и биофизических методик, выявили значение поверхностной мембраны в жизни клетки. Оказалось, что она является возбудимым образованием — генератором электрических потенциалов и что свойства поверхностной мембраны определяют транспорт различных веществ в клетку и из нее во внешнюю среду.

Создание А. Ходжкиным, Э. Хаксли и Б. Катцем в конце 40-х и в начале 50-х годов современной мембранной теории[91] возникновения биоэлектрических потенциалов явилось выдающимся достижением общей физиологии. Согласно одному из исходных представлений, на котором основывается эта теория, концентрация ионов К⁺ внутри клетки во много раз выше, а концентрация ионов Na⁺ ниже, чем в межклеточном пространстве. В состоянии покоя поверхностная мембрана клетки свободно проницаема для растворенных в цитоплазме ионов K⁺ и малопроницаема для находящихся во внешней среде ионов Na⁺; при возбуждении мембрана становится свободно проницаемой и для ионов Na⁺.

В покое в результате направленного наружу тока ионов K⁺ держится постоянная разность потенциалов по обе стороны мембраны (мембранный потенциал покоя), и последняя оказывается поляризованной. При возбуждении происходит лавинообразное нарастание проводимости натрия, превышающее проводимость калия, и ионы Na⁺ проникают в клетку из внешней среды. Мембрана при этом деполяризуется и даже приобретает заряд противоположного знака. Такое изменение разности потенциалов по обе стороны клеточной мембраны представляет собой мембранный потенциал действия. Его особенностью является то, что он распространяется вдоль клеточной мембраны и может вызывать возбуждение смежных клеток.

Возникновению распространяющегося потенциала действия всегда предшествует местный процесс — нераспространяющаяся локальная деполяризация. Последняя должна достигнуть некоторой величины — критического уровня деполяризации, когда происходит быстро нарастающая так называемая регенеративная деполяризация. Когда же потенциал действия достигает максимальной величины, проницаемость мембраны по отношению к ионам Na⁺ падает и происходит увеличение проводимости калия. Вследствие этого мембрана реполяризуется и приобретает исходный заряд.

Решающие доказательства мембранной теории были получены в экспериментах, в которых исследовалось влияние на потенциалы покоя и действия изменений концентрации ионов K⁺ и Na⁺ во внешней среде, в опытах с определением движения радиоактивных изотопов натрия и калия сквозь мембрану нервных волокон и экспериментах на изолированных мембранах гигантских аксонов, нейроплазма которых была заменена раствором хлористого калия. Все эти эксперименты убедительно доказали, что трансмембранные потенциалы обусловлены ионной проницаемостью поверхностной мембраны. Токи ионов калия и натрия зависят от разности их концентраций в цитоплазме и внешней среде. Поэтому выход К⁺ из клетки и поступление в нее Na⁺ называют пассивным транспортом ионов. Направление ионных потоков через мембрану в покое и при возбуждении Ходжкин и его сотрудники предложили определять, фиксируя напряжение на мембране и регистрируя проходящие через нее электрические токи.

От процессов пассивного ионного транспорта отличают активный транспорт ионов. Он осуществляется за счет энергии обмена веществ клетки и направлен против концентрационных градиентов ионов; из клетки выкачиваются ионы Na⁺ («натриевый насос») и в нее поступают ионы K⁺.На наличие подобных процессов в сердечной мышце указывал еще в 1902 г. Е. Овертон на том основании, что содержание калия и натрия в сердце старика и юноши одинаково. Многочисленные экспериментальные доказательства наличия процессов активного ионного транспорта были получены в 50-х годах. В это же время выяснилось, что движение ионов против концентрационных градиентов происходит за счет энергии, освобождаемой при расщеплении АТФ под влиянием локализованной на мембране так называемой Na, К-аденозинтрифосфатазы. Последняя активируется ионами калия на внешней поверхности мембраны и ионами натрия на внутренней ее поверхности, т. е. при тех сдвигах концентрации ионов, которые возникают в результате пассивного ионного транспорта.

Мембранная теория Ходжкина-Хаксли получила свое математическое выражение в виде модифицированных уравнений В. Нернста и системы дифференциальных уравнений, позволяющих предсказать, какие изменения претерпят биоэлектрические потенциалы при воздействиях на мембрану и при сдвиге ионных концентраций внутри и снаружи клетки.

Мембранная теория происхождения биоэлектрических потенциалов, разъяснив значение ионного транспорта в процессе возбуждения, поставила, как это всегда бывает при каждом крупном открытии в науке, перед исследователями большое число новых вопросов. Какова конструкция клеточных мембран и как она изменяется при раздражении. Каков механизм ионной проводимости в покое и при возбуждении? Имеются ли в мембране поры, избирательно пропускающие определенные ионы? Исследование этих вопросов, которыми настойчиво занимаются во многих лабораториях мира, является очередной и важной задачей физиологии и смежных с ней дисциплин. Избирательная проницаемость биологических мембран составляет основу представлений о функциях гисто-гематических и гемато-энцефалического барьеров. Возникла новая область физиологии и биологической физико-химии — мембранология, занимающаяся изучением проницаемости различных мембран.