УСПЕХИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК, 2011, том 42, № 4, с. 20-38
УДК 612.81 + 577.352.31
ВКЛАД БЫСТРЫХ И МЕДЛЕННЫХ КАЛИЕВЫХ ТОКОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ АКТИВНОСТЬ МИЕЛИНИЗИРОВАННЫХ НЕРВНЫХ ВОЛОКОН АМФИБИЙ
© 2011 г. Д. А. Евстигнеев1, Н. В. Глухова2, И. В. Кузнецова2
1 Ульяновское высшее авиационное училище гражданской авиации (институт) 2 Ульяновский государственный педагогический университет им. И.Н. Ульянова
В обзоре представлены сведения о роли быстрых и медленных калиевых токов в генерации электрической активности в миелинизированных нервных волокнах амфибий. Показана значимость открытия быстрых и медленных калиевых токов и последующего их фармакологического разделения при помощи блокаторов калиевых каналов 4-аминопиридина и тетраэтиламмония для установления механизмов генерации биопотенциалов. Сведения о наличии в нервной мембране быстрых и медленных калиевых каналов и о специфике действия 4-аминопиридина и тетраэтиламмония послужили базой для установления природы биопотенциалов и вскрытия механизма потенциалза-висимого действия 4-аминопиридина, которому на протяжении нескольких десятилетий не было адекватного объяснения.
Ключевые слова: быстрые и медленные калиевые каналы, калиевый ток, потенциал действия, мие-линизированные нервные волокна.
ВВЕДЕНИЕ
Первоначально калиевый ток, зарегистрированный в нодальной мембране миелинизированных нервных волокон амфибий в экспериментах с фиксацией потенциала [29], не разделялся на какие-либо компоненты. Однако уже в начале 70-х годов XX в. Маковский, детально изучив динамику калиевой проводимости при различных смещениях мембранного потенциала, убедительно доказал существование в нодальной мембране миелинизированных нервных волокон амфибий двух компонент калиевого тока [4-7, 19]. С этого фундаментального открытия Маковского начался принципиально новый этап в изучении электрических процессов в возбудимых тканях. Виртуозно выполненные эксперименты и строгие математические доказательства существования двух типов калиевых каналов позже были подтверждены экспериментами с фармакологическим разделением быстрых и медленных калиевых токов при помощи блокаторов калиевых каналов 4-аминопири-дина и тетраэтиламмония [26-28]. И по сей день [3, 11, 14-17] анализ электрических процессов в нервной мембране немыслим без оперирования данными, полученными Маковским с соавторами [4-9, 18, 19, 35] и Дюбуа [26-28].
Цель настоящей работы - обзор сведений о роли быстрых и медленных калиевых токов в генерации электрической активности в миелинизированных нервных волокнах амфибий, тем самым реанимировав фундаментальные открытия Маковского и продемонстрировав крайнюю важность использования знаний о быстрых и медленных калиевых токах в установлении механизмов генерации биопотенциалов.
I. ОТКРЫТИЕ БЫСТРЫХ И МЕДЛЕННЫХ КАЛИЕВЫХ ТОКОВ В МИЕЛИНИЗИРОВАННЫХ НЕРВНЫХ ВОЛОКНАХ АМФИБИЙ И ПЕРВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИХ СВОЙСТВ
В работах Ильина с соавт. [4, 5] изучена возможность трансляции кривых /K(t) в мембране перехвата Ранвье амфибий Rana ridibunda, которая ранее продемонстрирована для аксонов кальмара. Авторы в своих посылках и рассуждениях опирались на литературные данные о том, что для кинетики, описывающей изменение IK мембраны при помощи одной переменной с кинетикой первого порядка (кинетика Ходжкина-Хаксли), должно
Рис. 1. Калиевый ток (IK) мембраны перехвата Ранвье при реполяризации [4].
lk-lkoo
60 50 40 30
20
10
б 5 4
3 2
1
0 2 4 6 8 10 12 14 мс
Рис. 2. Калиевый ток (¡К) мембраны перехвата Ранвье при деполяризации. По вертикали использован логарифмический масштаб с условной разметкой. Для того, чтобы получить значения тока 1К - 1Кт, нужно использовать множитель 0.278 нА. По горизонтали масштаб равномерный. Е2 = = -96 мВ. Е1 был равен -45, +5, +55 и +105 мВ для кривых 1, 2, 3 и 4 соответственно [4].
выполняться Свойство трансляции, состоящее в следующем: если некоторое семейство кривых ¡К^) получено в ответ на ступенчатые смещения мембранного потенциала (от Е1 к Е2, так что Е2 одно и то же для всего семейства, а все Е1 либо меньше Е2 (деполяризация), либо больше Е2 (ре-поляризация)), то все кривые этого семейства ¡К/) по форме будут повторять друг друга, различаясь лишь временным сдвигом - транслируясь вдоль оси I.
В экспериментах со смещением мембранного потенциала от уровня E1 к уровню E2 было установлено [4], что IK состоит из двух различных по скорости процессов (рис. 1). Построение кривых зависимостей калиевого тока от времени в полулогарифмическом масштабе при разных значениях потенциала E1 и одних и тех же потенциалах E2 (рис. 2) выявило, что
- для IK трансляция (понимаемая как то, что при изменении начальных и сохранении конечных условий кривые зависимости IK от времени будут сдвигаться вдоль оси t, но по своей форме не изменятся и совпадут при их наложении) полностью не выполняется;
- кинетика IK не определяется только одной переменной первого порядка (график функции log(IK(t) - IKa}) не есть прямая линия);
- кривые зависимости калиевого тока от времени можно представить суммой двух экспонент;
- для соответствующих участков кривых условия трансляции выполняются в отдельности.
На основе сопоставления своих результатов с данными Франкенхейзера [30] авторы заключили, что быстрая компонента IK в их экспериментах на нервных волокнах Rana ridibunda соответствует п-компоненте нервных волокон Xenopus laevis.
Отсутствие феномена трансляции продемонстрировано на рис. 3, на котором представлены калиевые токи, полученные при деполяризации мембраны от различных значений потенциала E1, указанных над каждой кривой, к значению E2 = 70 мВ. На этом рисунке видно, что эти кривые зависят от E1: при более отрицательных E1 задержка в нарастании калиевого тока увеличивается и калиевый ток выходит на стационарный уровень (плато) более медленно. Итак, особенности трансляции в мембране перехвата Ранвье определяются тем, что трансляция выполняется не для всей кривой IK(t), а для каждой из двух ее компонент в отдельности.
Следующая работа [6] посвящена количественному анализу выделенных компонент калиевой проводимости gKI и gKII. Определены постоянные времени для каждой из компонент калиевого тока: для первой компоненты ti = 0.41 мс, для второй tii = 0.77 мс. Обе компоненты подчинены кинетике четвертого порядка: степень, в которую необходимо возвести параметр калиевой активации п, была взята равной 4. Авторы [6] отмечают, что компоненты различаются не только скоростью кинетики, но и областью активации: вторая (медленная) компонента активируется при более
Рис. 3. Зависимость калиевого тока (!к) от времени (г) при деполяризующем скачке потенциала. Цифры около кривых показывают значения Е1 [5].
ных волокнах амфибий, выражающейся в постепенном уменьшении частоты спайков в ритмическом ряду, получаемых в ответ на длительную деполяризацию мембраны постоянным током, удалось [8] путем введения в математическую модель, предложенную Доджем [24] и модифицированную Хилле [33], медленной компоненты калиевого тока (КК/):
1ш = gKII(Е - EKII), ёкП = &К11П Х// ,
150 -100 -50 0 70Е тВ
Рис. 4. Зависимость стационарной калиевой проводимости мембраны ¿к и ее компонент ¿К1 и ¿ш от напряжения на мембране [6].
0,6 0,9 1,2 Ток, нА
Рис. 5. Зависимость частоты ритмической активности (1-2) и установившейся частоты повторных ответов (3-5) от величины 1т [9]. 1 - ритмическая активность определяется током утечки (Цк! = ¿кп = 0); 2 - ритмическая активность определяется током утечки и током 1Ш (ГКц = 0); 3-5 - установившаяся ритмическая активность определяется током утечки, током 1К1 и различным вкладом тока 1КП (¿кц составила 10, 20, 30% от Гк! для кривых 3, 4, 5 соответственно).
отрицательных значениях потенциала. На рис. 4 показаны функции ¿ШЛЕ) и ¿ШЛЕ), где видно, что области активации ¿К1 и различны.
В дальнейшем авторы [7, 18] заключили, что независимые компоненты калиевого тока могут быть результатом активации двух независимых популяций калиевых каналов.
Воспроизвести основные черты частотной адаптации спайков в миелинизированных нерв-
где gKII и gKII - калиевая проводимость медленного калиевого канала и ее максимальное значение соответственно, nII - переменная первого порядка Ходжкина-Хаксли для медленного калиевого канала (переменная с параметрами, отличающимися от соответствующих параметров переменной nI быстрого калиевого канала), Е - абсолютный мембранный потенциал, Еш - равновесный калиевый потенциал для медленных калиевых каналов, xII - число воротных частиц в активационной системе калиевого канала.
Вклад медленных калиевых каналов (величина gKII) в общую калиевую проводимость gK мембраны перехвата Ранвье Rana ridibunda колеблется от 20 до 50% в зависимости от волокна. Равновесный калиевый потенциал для медленных калиевых каналов авторы [8] специально не определяли, считая его равным - 75 мВ, т.е. равным Еш (равновесному калиевому потенциалу быстрых калиевых каналов) в модели Доджа [24]. В случае, когда меленная компонента калиевого тока IKII в модели отсутствовала, адаптации не было, однако уже при относительно небольшой величине проводимости gKII адаптация имела место, а при увеличении gKII до 30% от gKI она была очень хорошо выражена [8].
Крылов и Маковский [9] попытались определить роль тока утечки и выделенных в предыдущих работах двух компонент калиевого тока (IKI и IKII) в регуляции импульсной активности миели-низированных нервных волокон Rana ridibunda. Для этого они использовали упомянутую ранее математическую модель с медленной компонентой калиевого тока IKII.
Как показано путем расчетов на модифицированной математической модели (рис. 5), повторная активность может возникать и в отсутствие калиевого тока [9]. Пользуясь тем, что равновесный потенциал для тока утечки (EL) равен Еш (= EKII), а критический потенциал (Е ) возникновения повторных ответов не зависит от стимулирующего тока (Im), авторами была получена связь между Im
и gL в межимпульсные интервалы, приближенно описываемая уравнением 1т = 81(Екр - EL) означая, что с уменьшением gL уменьшается и пороговый Im, необходимый для возникновения повтор
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.