Научная статья на тему 'Современные представления о нервно-мышечной передаче'

Современные представления о нервно-мышечной передаче Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
373
82
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Современные представления о нервно-мышечной передаче»

♦ определение функционального состояния органа или системы организма, которая спроецирована на данную БАТ путем распознавания образа КВЧ излучения точки;

♦ корректирующее управляющее воздействие на БАТ по принципу биологической обратной связи;

♦ стимуляция через БАТ заданных зон коры мозга с целью получения терапев-

;

соответствующих зон коры мозга;

(пульс, давление, температура, кардиограмма или пульсограмма, эмоциональное напряжение и др.) в удаленный медицинский Центр и получение оттуда экстренной медицинской помощи или совета;

♦ автоматический вызов помощи в экстремальной ситуации (завал, снежная , , ).

Совмещение перечисленных функций с возможностями обычной телефонной связи, с получением через ИНТЕРНЕТ электронной почты, аудио и видео информации делает такой медицинский КВЧ прибор незаменимым в быту, на производстве, на работе, в отпуске, в экспедиции, в пути, на даче, везде, где потребуется , .

ЛИТЕРАТУРА

1. Абдулкеримов С. А., Родионов Б.Н., Цыганков В Д. Перспективы исп ользования мобильных телефонов для повышения уровня безопасности жизни человека в экстремальных ситуациях. //Строительные материалы, оборудование, технологии ХХ1 века. №5. М.: 2001.

2. Цыганков ВД. Нейрокомпьютер и его применение. М.: СолСистем,1993.

3. Цыганков ВД. Нейрокомпьютер и мозг. М.: Синтег, 2001.

4. Цыганков ВД. Вселенский разум и квантовый нейрокомпьютер. М.: Синтег, 2001.

5. Флейвелл Дж. X. Генетическая психология Жанна Пиаже. М.: Просвещение, 1967.

6. Анохин П.К. Теория функциональной системы. /Успехи физиологических наук. Том 1. №1. М. 1970.

УДК 577.3

З.Х.-М. Хашаев

СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О НЕРВНО-МЫШЕЧНОЙ

ПЕРЕДАЧЕ

Познание общих принципов и молекулярных механизмов деятельности нервной системы является одной из главных задач современной биоинформатики. По-

- , -чи информации с одной нервной клетки на другую или на мышечную клетку позволит вплотную подойти к решению этой задачи. Нервные клетки передают информацию с помощью сигналов, представляющих собой электрические токи, генерируемой поверхностной мембраной нейрона. Эти токи возникают благодаря движению зарядов, принадлежащих ионам натрия, калия, кальция и хлора. От наружной среды внутренее пространство нейрона отделено клеточной мембраной, которая является плохим изолятором и допускает некоторую утечку МОНОВ в обоих

направлениях. Внутри нейронов относительно высока концентрация ионов К+, но мало ионов №+- и С1" , снаружи больше натрия и хлора и мало калия. В состоянии покоя мембрана более проницаема для ионов К+ чем для ионов №+. Поэтому ионы калия стремятся выйти из клетки по градиенту концентрации, создавая электрический потенциал с отрицательным зарядом внутри, который уравновешивает градиент концентрации, заставляющий выходить ионы К+ наружу. Если бы мембрана была проницаема только для ионов К+, разность потенциалов на ней могла бы достигать величины, определяемой уравнением Нернста (1) для калиевого электрода:

ЯТ [К]н

ук = --- 1п ---- , (1)

Б [№]в

где Ук - равновесный потенциал для ионов К+ , Кн и Кв - активность калия снаружи и внутри волокна, Я - газовая постоянная, Т - абсолютная температура и Б -

. , ,

70-75 мВ. Для объяснения реверсии мембранного потенциала (МП) во время развития импульса предполагается, что на гребне спайка мембрана избирательно проницаема для ионов №+. Разность потенциалов при этом выражается формулой Нернста для натриевого электрода:

ЯТ [№]н

= ----- 1п ------ . (2)

Б [№]в

В начале XX века И.Бернштейн высказал гипотезу о наличии разности потенциалов на мембране, предполагая, что при возбуждении эта разность должна упасть до нуля, а затем восстановиться до прежней величины. Но у большинства волокон разность потенциалов меняет знак. Благодаря работам Кертиса и Коула, а также Ходжкина и Хаксли на гигантском аксоне кальмара удалось выяснить какую роль играют ионы натрия в проведении нервного импульса (2). Установлено, что по своей величине потенциал действия (ПД) больше потенциала покоя (ПП), так как происходит овершут, во время которой клетка становится заряженной положительно изнутри по отношению к наружной среде. Во-вторых, в 1949 г. Ходжкину и Катцу удалось показать, что изменения внеклеточной концентрации натрия влияют на величину овершута. Эта зависимость хорошо с соотношением вытекающим из уравнения Нернста для натрия:

№ н

У*а = 58 1п --------- (3)

№ в

Положительно заряженной внутреняя часть волокна обычно бывает лишь на .

мембраны к ионам №+ , которые входя в клетку вызывают дальнейшее снижение ПП. Повышенная проницаемость мембраны к ионам №+ сменяется повышением ее проницаемости к ионам К+ . При этом последние выходят из клетки и в результате этого происходит восстановление ПП клетки. Эти изменения разности потенциалов и создают электрический импульс, распространяющийся по нервному волокну. Эксперимент с двумя электродами, введенными в одиночное волокно аксо-, , -мой для изменения знака потенциала на мембране. Один электрод служит для про, - . -

, , увеличивается и возбуждения нет. Ток, направленный наружу, также не вызывает возбуждения. Однако, генератор срабатывает каждый раз, когда напряжение на мембране уменьшается ниже определенной величины, которую принято называть порогом возбуждения. Нервный импульс возникает только в том случае, если вызванное возбуждение любым способом изменяет напряжение мембраны за пороговую величину, которая обычно равна 10-15 мВ.

Суммируя вышесказанное можно предположить, что передача электрических сигналов в нервных сетях основана на изменении МП в результате прохождения относительно небольшого числа ионов через мембранные каналы. Мембрана нервной клетки содержит много тысяч натриевых каналов с потенциал'-зависимы ми воротами. Общий натриевый ток происходит из токов, протекающих через все эти (4). -

того канала была получена величина 10-11 См, означающее, что при разности

100

10-12 , 6000 1 (5).

Эти ионы перемещаются за счет энергии, большой запас которой создается благодаря №+-, К+- АТФ-^ного насоса, который поддерживает низкую концентрацию натрия и более высокую концентрацию К+ внутри клетки по сравнению с наружной средой. В покоящейся нервной клетке К+ зависимые каналы делают мембрану более проницаемой для К+, чем для других ионов, и поэтому мембранный ПП близок к равновесному потенциалу К+ (~ 70 мВ). При деполяризации мембраны ее проницаемость меняется благодаря тому, что открываются потенциал-зависимые .

нервный импульс распространяется вдоль нервного волокна, пока не достигнет его окончания - места контакта с мышечной клеткой или, как принято называть, “концевой пластинкой”. В концевой пластинке под действием нервного импульса открываются потенциал-зависимые кальциевые каналы, и ионы Са2+ входят в нервное окончание, в результате чего нервная клетка освобождает медиатор - ацетил-( ). -ется холинэргическим синапсом.

, -

ляризацию постсинаптической мембраны, долго служил предметом споров между сторонниками химической и электрической гипотез проведения. Результат этой борьбы послужил активному накоплению экспериментального материала, полу-

(6) (7,8) -

следований в пользу химической гипотезы. Однако, я бы объединил обе эти гипотезы в одну и назвал бы ее электрохимической. Электрический ток идет вначале по

аксону и заканчивается в синапсе, где в силу вступают химические процессы. Это важно отметить именно потому, что все психотропные препараты, и наркотики в , .

Применение микроэлектродной техники отведения потенциалов концевой

(9)

определить пороговую чувствительность синаптической области мышечной мембраны путем нанесения незначительного количества АХ. Ими показано, что АХ в 108-109

области наружной поверхности синапса. Сама же мембрана является непроницаемой для АХ. При введении АХ внутрь мышечных волокон в районе концевой пластинки, никаких электрических изменений не наблюдалось. По данным Теслефа (10),

, -. -, - -

. ,

может находится в эффекторном и рефракторном состоянии и переход из одного состояния в другое проявляется в понижении чувствительности рецептора.

Многочисленными работами показана необходимость притока ионов Са2+ в окончание аксона для синаптической передачи. Показано, что если во внеклеточной среде кальций отсутствует, АХ не освобождается и передачи сигнала не происходит и, во-вторых, если искусственно ввести Са2+ в наружную среду, омываю- , -диатора происходит спонтанно.

Во множестве животных клеток ион Са2+ служит универсальным посредником, передающим внутриклеточным механизмам сигналы, поступившие к клетке извне. Надо помнить, что кальций участвует в регуляции сложных процессов в ор, , , пищеварительных ферментов транспорт солей и т.д. Для регуляции уровня кальция в клетке имеются простые и эффективные механизмы. В основном это те механизмы, которые управляют движением ионов Са2+ через клеточную плазматическую мембрану и саркоплазматического ретикулума, которые являются своеобразными емкостями для хранения запасов кальция. Чувствительность клетки к очень небольшим изменениям концентрации Са2+ обусловлена тем, что его нормальная

( 10-7 ),

10-3 . -извне, кальциевые каналы в плазматической мембране, подобно натриевым, открываются, через которые ионы Са2+ входят внутрь со скоростью в 2-4 раза пре-вышащей нормальную. Са2+-каналы пропускают в цитозоль только кальций, но не другие ионы и в отличие от №+-каналов, они не так быстро инактивируются и обычно остаются открытыми в течение всего периода деполяризации. Некоторые потенциал-зависимые кальциевые каналы чувствительны к изменению трансмембранной разности потенциалов под действием нейромедиаторов, другие связаны с рецепторами клеточной поверхности и реагируют на взаимодействие рецептора с гормоном или нейромедатором.

Благодаря способности кальция передавать внутриклеточным биохимическим системам сигналы, которые в форме электрических импульсов или фармакологических соединений поступают извне ему отдана роль “вторичного мессендже-”,

со своим белком-мишенью (11). В результате этого связывания конформация мо-

- , в активное или наоборот. Входящий кальциевый ток оказывает клетке значитель-. , болыне чем внутри и значительной разности потенциалов через открытые каналы внутрь аксона переходит достаточно ионов Са2+. Это необходимо для того, чтобы концентрация ионов Са2+ внутри окончания увеличилась на 1-2 порядка, в результате чего клетка начнет выделять нейромедиатор. Концентрация свободных ионов Са2+ возрастает лишь на короткое время, так как Са-связывающие белки и митохондрии быстро поглощают кальциевые ионы перешедшие в нервное окончание (12).

Согласно описанной схеме, в процессе передачи информации от клеточной поверхности внутрь клетки, кальций действует как простой переключатель, кото-

рый создает только два состояния системы: “включено” и “выключено”, что особенно проявляется при секреции медиатора. Для понимания процессов, происходящих в ЦНС, особенно при изучении механизма привыкания к наркотическим , -

- ( ). Согласно современным данным сложилось представление, что кальций и ЦАМФ регулируют поведение клетки.

Возвращаясь к вопросу о роли кальция в синаптическом облегчении, нельзя не отметить огромный вклад выдающегося английского ученого, лауреата Нобелевской премии - сэра Бернарда Катца и его сотрудников, изучавших механизм выделения медиатора, которые еще в 1953 г. обнаружили, что он выделяется из

( ). , -водившаяся порция вызывает на мембране мышечной клетки слабое изменение потенциала в сторону деполяризации, часто называемыми миниатюрными потен-

( ). -, ( ) в плотноупакованном виде, находящихся внутри нервного окончания около преси-наптической мембраны. Б.Катц предполагает, что в состоянии покоя внутри нервных окончаний в результате броуновского движения происходит столкновение синаптических пузырьков с мембраной нервного окончания, в результате чего их содержимое может излиться в синаптическую щель. По данным Е.А.Либермана частота столкновения синаптических пузырьков с мембраной нервного окончания составляет примерно 4.103-4.104 в 1 сек. Показано, что довольно часто происходят , -ков, как в состоянии покоя, так и во время прихода нервного импульса.

,

порции медиатора и, по мнению Б.Катца, эта порция должна быть сильно сконцентрирована и выброшена очень близко к рецепторам в случайные моменты времени по типу “все или ничего”. Известно, что один квант медиатора - АХ открывает 1000 . , молекулы достигают синаптических рецепторов, минимальное число молекул в

1000. -скольких тысяч МПКП показало, что распределение интервалов т между импульсами вокруг среднего значения тх симметрично, а частота, с которой встречаются т, :

т

Рт = е ----- ^ (4)

т-х

(2).

По литературным и нашим собственным данным показано, что амплитуда МПКП имеет величину порядка 1 мВ и заметно колеблется от 0,1 до 4 мВ. Этот , , разном расстоянии от регистрирующего электрода. МПКП регистрируются внеклеточным микроэлектродом от наружной поверхности мышечных мембран, от , ,

выделении АХ не диффузно, а в определенных активных точках. При изучении возникновения постсинаптического потенциала концевой пластинки (ПКП) многие исследователи пришли к выводу, что ПКП возникает вследствие резкого увеличения частоты МПКП и, что между частотой и силой поляризующего тока имеется

линейная зависимость. Деполяризация пресинаптических окончаний на 60 мВ 104 , . -виях такой ПКП состоит из более чем из сотни наложенных друг на друга МПКП.

, , число в одиночном ПКП должно испытывать отклонения от среднего значения, которые описываются формулой Пуассона. Допустив, что среднее число МПКП в ПКП равно т, тогда вероятность Рх наблюдать ПКП, содержащей х МПКП, будет

т(х)

Р.х = ----е-т , (5)

X !

где х - порция и т - среднее число порций, освобождаемых при одном импульсе. В виду того, что вероятность отклонений х от т для больших значениях мала, возникла необходимость снизить квантовый состав ПКП за счет снижения концентрации ионов Са2+ и повышения концентрации Mg2+. Однако, в последние годы появилось много работ, в которых показано, что временное распределение интервалов не подчиняется закону Пуассона. Так, М.Крибелю (13) удалось показать, что МПКП в каждом отдельном мышечном волокне была стабильной, но у волокон диаметром 80 дм была в 100 раз выше, чем у волокон диаметром 6 дм. В различных условиях наблюдались небольшие группы МПКП, свидетельствующие о взаимозависимом выделении квантов медиатора. Обнаружено существование низко- и

, -. 100 -кундные непрерывающиеся интервалы показал, что имеются существенные отклонения от пуассоновского распределения, тем большие, чем меньше диаметр волокна и частота МПКП. Этот статистический подход представляет интерес, поскольку позволяет подтвердить предположение о квантовом характере освобождения ме-.

В качестве альтернативы квантово-везикулярной гипотезы, обсуждается возможность освобождения АХ через специфические каналы пресинаптической мембраны. После освобождения АХ из синаптических везикул их мембрана встраивается в пресинаптическую мембрану; в то же время происходит возрождение синаптических везикул путем их отпочковывания от пресинаптической мембраны; синтез АХ происходит в цитоплазме. По видимому, существует система транспорта АХ в синаптических везикулах. В качестве подтверждения гипотезы о наличии специфических каналов могли бы послужить данные, полученные методом рентгеновской дифракции о том, что рецепторы АХ имеют форму воронки сквозному отверстию в которой (вн.диаметр > 6,5 ангстрем) и им приписывается роль ионного канала. Наличие рефлексов 5,1 ангстрем указывает на то, что холинорецептор (ХР) состоит из пронизывающих мембран а-спиральных сегментов, длина которых достигает 80 ангстрем. Приводятся доказательства того, что все субъединицы яв. - ,

( ),

, , (16).

Согласно гипотезе Е.А.Либермана частота МПКП зависит не от поляризации

,

внутри пресинаптических волокон. В тех условиях, где большое количество пузырьков находятся на расстоянии 100 А (ангстрем) от мембраны, должны возникать ван-дер-ваадьсовы силы, которые стремятся свести пузырек с мембраной.

Кроме ван-дер-ваадьсовых сил, существуют и силы отталкивания из-за наличия одноименных (отрицательных) зарядов на поверхности мембран синаптических пузырьков и мембран нервных окончаний. Однако, как утверждает сам автор выдвинутой гипотезы, синаптическое взаимодействие Са2+ с мембраной в живой клетке не сводится к простой экранировке заряда и эти ионы взаимдействуют со

. -, , за работой синхронизированного цикла челночной системы из транспортных пузырьков, находящейся в нервно-мышечной системе. Путем быстрого замораживания удалось проследить за событиями в синапсе, вызванными единственным нерв. 5

нервного окончания появляются отверстия, показывающие место слияния одного пузырька с АХ с плазматической мембраной. Эти места слияния принято считать . 2 -цитозные отверстия исчезают. При этом можно видеть, что мембранные белковые компоненты везикул оказываются погруженными в плазматическую мембрану. В течение последующих миллисекунд эти белковые компоненты диффундируют все дальше и дальше от исходного места слияния. Удаление из плазматической мембраны белковых компонентов синаптических везикул наступает через 10 секунд после секреции и появляются многочисленные участки, в которых собираются крупные внутримембранные частицы, содержащие исходные белковые компоненты синаптических везикул. Окаймленные участки отщепляются путем эндоцитоза с образованием окаймленных везикул. Когда с этих везикул снимается оболочка, то они вновь наполняются медиатором и цикл заканчивается.

УДК 658.382.3

В.И. Божич, В.С. Компанией1

ИНФОРМАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ОЦЕНКИ ИНДИВИДУАЛЬНОГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО РИСКА

С вводом в действие закона об обязательном социальном страховании от несчастных случаев на производстве и профессиональных заболеваний [1] появился термин профессиональный риск - вероятность повреждения (утраты) здоровья или , . Профессиональный риск определяется по величине интегрального показателя, полученной из отношения суммарных затрат в отрасли экономики в истекшем календарном году на возмещение вреда к размеру фонда оплаты труда в этой отрасли. Для отраслей экономики введена шкала классов профессионального риска и установлен дифференцированный размер страховых тарифов, уплачиваемых работодателями в Фонд социального страхования.

Несовершенство используемой методики расчета оценки профессионального риска приводит к возможности необъективного определения класса профессио-. : -тодателя в сокрытии фактов повреждения здоровья работников, в искажении отчетности о размере фонда оплаты труда, а также в связи с проблемой внутриклас-

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

1 Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант №00-01-00-125

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.