/
Автор: Ходжкин А.
Теги: физиология сравнительная физиология биология физиология человека нервная система
Год: 1965
Текст
THE CONDUCTION OF THE
NERVOUS IMPULSE
A. L. HODGKIN Sc. D.( F. R. S.
Foul er ton Research Professor of
the Royal Society University of
Cambridge
LIVERPOOL UNIVERSITY PRESS
1964
А. ХОДЖКИН
НЕРВНЫЙ ИМПУЛЬС
Перевод с английского
л. м. ЦОФИНОЙ
Под редакцией и с предисловием
д-ра биол. наук е. а. либермана
ИЗДАТЕЛЬСТВО <МИР> • МОСКВА 19 65
УДК 612 4 577.3
Редакция биологической литературы
ПРЕДИСЛОВИЕ К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ
Книга профессора Кембриджского университета
Аллена Ходжкина в оригинале называется «Прове*
дение нервного импульса». Однако, поскольку она ка-
сается не только собственно механизма проведения,
но подробно рассматривает генерирование нервного
импульса и его связь с обменом веществ, в русском
переводе дано более широкое название — «Нервный
импульс».
Книга является образцом полноты, четкости и
краткости изложения этого важнейшего вопроса об-
щей физиологии. Затронутыми в книге проблемами в
течение последних 30 лет занималось в разных стра-
нах более тысячи ученых, и тем не менее
проф. А. Ходжкин является автором фактически всех
общепризнанных в настоящее время теорий о роли
ионных градиентов в генерировании нервного им-
пульса и о механизме распределения ионов между
клеткой и средой. А. Ходжкин принимал непосред-
ственное участие в постановке большинства экспе-
риментов, которые со временем, несомненно, станут
классическими. Эти экспериментальные и теоретиче-
ские работы принесли Аллену Ходжкину мировую
известность и заслуженную награду — Нобелевскую
премию 1963 г.
В данной книге практически не затронуты спор-
ные вопросы. В ней изложены только твердо уста-
новленные и наиболее важные факты, характеризую-
щие роль локальных электрических токов в передаче
нервного импульса, значение изменения ионной про-
ницаемости при генерировании этих токов, а также
связь ионных потоков с обменом веществ. Все факты
5
рассмотрены в свете современной мембранной теории,
созданной А. Ходжкином в сотрудничестве с профес-
сорами Б. Катцем и А. Хаксли.
Книга А. Ходжкина очень интересна для широ-
кого круга читателей. Она необходима каждому
научному работнику любой отрасли биологии, био-
физики, биохимии и медицины. Книга будет чрезвы-
чайно полезна также студентам, преподавателям
средней школы и ученикам старших классов как пре-
красный и увлекательно изложенный образец науч-
ной работы.
Е, Либерман
ИЗ ПРЕДИСЛОВИЯ АВТОРА
В марте 1961 г. мне выпалу честь про-
читать в Ливерпульском университете Шер-
рингтоновские лекции. По предложению
проф. Грегори я рассказывал главным об-
разом об экспериментах, которые мои со-
трудники и я провели в недавнем прошлом.
В настоящую книгу, которая представляет
собой изложение этих лекций, я включил
дополнительные сведения, чтобы создать
основу для лучшего понимания самых по-
следних работ. При этом были частично
использованы лекция, опубликованная Ко-
ролевским обществом в 1958 г., а также
другие, прежде нигде не публиковавшиеся
лекции, прочитанные за последние несколь-
ко лет.
А. Ходжкин
ГЛАВА 1
СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ
В НЕРВНОЙ СИСТЕМЕ
ВВЕДЕНИЕ
Цель настоящих лекций дать некоторое представ-
ление о механизме, с помощью которого нервные во-
локна способны передавать сообщения в организме
человека и животных. Я постараюсь сделать это,
рассматривая основные характерные эксперименты,
а не пытаясь суммировать огромное количество све-
дений, накопленных за последние 150 лет. Большая
часть новейших данных получена на гигантских нерв-
ных волокнах, в основном на волокнах кальмаров и
каракатиц. С кальмарами мы состоим в весьма отда-
ленном родстве — последние общие предки, о которых
мы абсолютно ничего не знаем, вымерли несколько
сот миллионов лет назад. Возникает вопрос* пред-
ставляют ли сведения, полученные на нервах каль-
маров, существенный интерес для физиологии чело-
века. Однако оказывается, что у самых различных
животных сигналы, передаваемые по нервам, имеют
много общих черт, и результаты, полученные на од-
ном препарате, часто приобретают гораздо более
общее значение. Вряд ли нужны дальнейшие обое-
нования; достаточно обратить внимание на преиму-
щество работы с одиночными нервными волокнами,
а также на огромные трудности, связанные с прове-
дением физических и химических измерений на во-
локнах, диаметр которых, как, например, у млекопи-
тающих, не превышает 0,02 мм.
Прежде чем приступить к изложению новейших
работ, полезно напомнить некоторые хорошо извест-
ные свойства нервной активности. Два факта
известны уже очень давно. Сначала было обнаружено,
что некоторые животные способны вырабатывать элек-
тричество, а затем выяснилось, что нервы и мышцы
можно раздражать электрическим током. Оба эти
факта четко установлены в конце XVIII в., но кое-что
было известно еще задолго до этого. Многие рыбы
способны давать электрические разряды, причем у
некоторых видов (Torpedo, Electrophorus и Malapteru-
rus) эти разряды настолько сильны, что могут при-
чинить боль человеку или убить мелкое животное.
На надгробном памятнике в Саккаре, относящемся
ко времени пятой династии фараонов (2600 лет
до н. э.) [74, 196], сохранились отчетливые изображе-
ния электрического сома Malapterurus, а Д’Арси
Томпсон [207] в своей книге о рыбах, известных древ-
ним грекам, приводит много случаев, когда разряды
электрического ската Torpedo оказывали болевое воз-
действие. Любопытно, что еще в первом веке на-
шей эры римский врач Скрибоний Ларг [186] реко-
мендовал применять разряды Torpedo как средство
против подагры, головной боли и эпилепсии. Вряд ли
кому-либо из современных врачей придет в голову
лечить подагру электричеством, но, как указал в
своей Шеррингтоновской лекции Фултон [75], совре-
менная шоковая терапия напоминает предписания
Скрибония Ларга для лечения головной боли и эпи-
лепсии.
К концу XVIII в. об электрических рыбах было
известно уже довольно многое, и Вольта [209] срав-
нивал электрическую батарею с набором пластинок
у электрических рыб, называя свой столбик элемен-
тов искусственным электрическим органом. В наше
время люди принимают электрическую батарею как
нечто само собой разумеющееся и думают, как иску-
сно электрические рыбы достигли такого же резуль-
тата с помощью ограниченных средств, имеющихся,
в их распоряжении. Однако ясно, что в данном слу-
чае рыбы являются новаторами, а человек — неволь-
ным плагиатором. Подобная же ситуация наблю-
дается в отношении современных взглядов на «обрат-
ную связь» в технике и в биологии. Задолго до того
как инженеры стали включать устройства для изме-
рения скорости или положения в сервомеханизмы,
10
фиг. 1. Импульсы в зрительном нервном волокне Limulus. вы*
званные вспышкой света длительностью 1 сек [92J.
Цифры справа показывают относительную интенсивность вспышки. Период
освещения глаза указан разрывом верхней белой линии. Отметка времени
(на нижней белой линии) 0,2 сек.
Шеррингтон развил идею о рефлекторной регуляции
в мышце с помощью проприорецепторов. Та же об-
щая идея неясно выражена в концепции Клода Бер-
нара об устойчивости внутренней среды.
Изучение электрических рыб показало, что живот-
ные вырабатывают электричество, Однако лишь по-
сле создания соответствующих регистрирующих при-
боров в нервах и мышцах были открыты токи дей-
ствия. Я не стану останавливаться па историческом
обзоре и перейду непосредственно к нашему времени.
Благодаря исследованиям Готча, предшественника
............ I I I I I I I 11|' 20 сек ‘
Фиг. 2. Импульсы, вызванные растяжением камбаловидной
мышцы кошки [164].
Конечное напряжение мышцы составляет 260 г; / — напряжение; // — электри-
ческий ответ нерва при двухфазном отведении, зарегистрированный в нервных
волокнах типа В, окончания которых локализованы в сухожилии. Отметка
времени 0,05 сек.
Шеррингтона в Ливерпуле, и Кейта Лукаса и Эдриа-
на в Кембридже мы знаем, что нервная активность
всегда сопровождается электрическими изменениями.
Когда чувствительный орган возбужден или когда
мозг посылает приказ, в соответствующих нервных
волокнах можно обнаружить импульсы. На фиг. 1,
взятой из книги Хартлайна [92], показаны чувстви-
тельные импульсы, возникавшие при раздражении
глаза Limulus вспышками света разной интенсивно-
сти при длительности вспышки 1 сек. Можно ви-
деть, что ответ состоит из серии одинаковых импуль-
сов и что частота их повышается по мере увеличения
интенсивности света. Результаты такого же рода
экспериментов показаны на фиг. 2 и 3. На фиг. 2
представлен ответ рецептора растяжения млекопи-
тающего [164], а на фиг. 3 — регулярные серии дви-
гательных импульсов, вызывающие ритмичные сокра^
щенпя дыхательных мышц [25].
12
Подобные эксперименты доказывают, что нервные
импульсы в каком-либо одном волокне имеют по-
стоянную амплитуду и форму и что ни сила, ни ка-
чество раздражения не влияют на их характеристики.
На основании этого можно сделать вывод, что интен-
сивность ощущения и двигательной реакции регули-
руется посредством изменения частоты импульсов и
числа активных волокон. Качество ощущения зави«
сит не от характера изменения отдельных сообщений
в каждом данном волокне, а от изменения типа пе-
редающих нервных волокон *. Хотя при детальном
Ф и г. 3. Серия импульсов в одиночном двигательном волокне,
подходящем к наружной межреберной мышце кошки [25].
Отметка времени (верхняя белая линия) 0,2 сек. Нижняя линия — запись дыха-
ния; колебание, направленное вверх, соответствует вдоху.
изучении природы ощущений возникают осложнения,
в первом приближении можно утверждать, что для
каждого типа ощущений существуют отдельные во-
локна. В последние годы некоторые физиологи усо-
мнились в справедливости идеи о специфических
нервных волокнах, особенно в отношении кожной
чувствительности [210]. Однако, хотя разделение ощу-
щений происходит, быть может, сложнее, чем пола-
гали раньше, само утверждение, что импульс не ме-
няется в зависимости от природы и силы раздраже-
ния, не вызывает никаких сомнений. В одиночном
волокне все импульсы одинаковы, и это необходимо
подчеркнуть в данных лекциях, в которых рассмат-
ривается механизм проведения возбуждения, а не
природа ощущения.
1 Это утверждение автора, по-видимому, не имеет всеобщего
применения. Характер сообщения в отдельных нервных во-
локнах зависит не только от силы, но и от «качества* раздра-
жителя. Например, в ответ на освещение глаза синим и крас-
ным светом в одном и том же волокне зрительного нерва воз-
никают разные серии импульсов, причем информационное зна-
чение имеет не только число импульсов, но и распределение их
во времени (см. Бонгард М. М., Смирнов М. С., Биофи-
2 , 336, 1957; Либерман Е. А., Биофизика, 2, 427,
1957). — Прим. ред.
13
Постоянство потенциала действия создается бла-
годаря тому, что энергия, используемая для распро-
странения возбуждения, не поставляется раздраже-
нием, а вырабатывается самим нервным волокном.
В этом отношении проведение нервного возбуждения
напоминает скорее горение порохового заряда, чем
распространение электрического сигнала по кабелю.
Основной единицей информации является потен-
циал действия, который длится примерно 0,001 сек и
распространяется со скоростью 1 —100 м/сек. Ско-
рость проведения зависит от диаметра волокна [59],
от температуры и от наличия или отсутствия миели-
новой оболочки (табл. 1).
Таблица 1
СКОРОСТЬ ПРОВЕДЕНИЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ В НЕРВНОМ
И МЫШЕЧНОМ ВОЛОКНЕ
Ткань Темпера тура, ЪС Диаметр волокна *, Скорость проведе- ния, м(сек Источник данных
Миелинизированные нервные волокна кошки 38 2—20 10—100 (128, 173J
Немиелинизированные нервные волокна кошки 38 0,3—1,3 0,7—2,3 [128, 173]
Миелинизированные нервные волокна лягуш- ки 24 3—16 6—32 [199]
Миелинизированные нервные волокна кре- ветки 20 35 20 [127]
Толстое нервное во- локно краба (немиели- низированное) 20 30 5 [137]
Гигантский аксон каль- мара (немиелинизирован- ное волокно) 20 500 25 [137]
Мышечное волокно лягушки 20 60 1,6 [137]
* Для миелинизированных волокон даны величины наружного диаметра
миелиновой оболочки.
14
Хотя обычно в организме импульсы распростра-
няются по нервам только в одном направлении (к
центральной нервной системе по чувствительным во*
локнам, а от нее — по двигательным), все нервы спо-
собны проводить их в обоих направлениях, причем
скорость, с которой распространяется импульс, не за-
висит от направления.
Если бы инженер-электрик заглянул в' нервную
систему, он сразу же увидел бы, что передача элек-
трической информации по нервным волокнам пред-
ставляет собой страшно сложную проблему. Диаметр
осевого цилиндра в нервных волокнах человека ко-
леблется от 0,1 до 10 мк. Внутренняя часть волокна
содержит ионы и является довольно хорошим провод-
ником электрического тока. Однако толщина волок-
на столь мала, что его продольное сопротивление
чрезвычайно велико. Простой расчет показывает, что
в волокне диаметром 1 мк, содержащем аксоплазму
с удельным сопротивлением 100 ом •см, сопротивле-
ние на единицу длины будет равно 1010 ом/см. Это
означает, что тонкое нервное волокно длиной 1 м
имеет примерно такое же электрическое сопротивле-
ние, как и медная проволока 22-го калибра при дли-
не 1,6 • 1010 км, что почти в 10 раз больше расстояния
между Землей и Сатурном. Инженер-электрик нахо-
дился бы в большом затруднении, если бы его по-
просили установить связь в солнечной системе, ис-
пользуя обычный кабель. Он смог бы решить эту
задачу, применив повторяющиеся элементы, которые
усиливали бы сигнал, распространяющийся по кабе-
лю. Но в этом случае энергия для передачи сигнала
должна была бы подаваться в кабель во многих его
точках и вся система весьма напоминала бы ту, ко-
торая обнаружена в нервном волокне. Проведение
по закону «все или ничего», по-видимому, лучше
всего подходит для преодоления трудностей, обус-
ловленных высоким продольным сопротивлением тон-
кого цилиндра протоплазмы. Такой способ приведе-
ния может иметь значение для устранения помех,
вызванных тепловым шумом. В толстом нервном во-
локне, в котором электрическое сопротивление между
аксоплазмой и наружной средой относительно низко,
электрические флуктуации, создаваемые тепловым
16
шумом, очень малы по сравнению с потенциалом
действия. Но в тонких волокнах флуктуации могут
быть значительными и будут приводить к ошиб-
кам, если качество ощущения определяется формой
ответа.
Этот источник ошибок устраняется, когда основ-
ной единицей информации служит потенциал дей-
ствия, возникающий по закону «все или ничего», а
качество информации зависит от типа волокна, по
которому передается сообщение.
ОБЩАЯ ПРИРОДА ПОТЕНЦИАЛА ДЕЙСТВИЯ
За много лет до внедрения методики мпкроэлек-
тродного отведения физиологи высказывали предпо-
ложение, что электрические изменения, связанные с
активностью нерва и мышцы, возникают на поверх-
ностной мембране. Правильность этого предположе-
ния была подтверждена экспериментами, в которых
разность электрических потенциалов на поверхност-
ной мембране волокна измеряли непосредственно вну-
триклеточным электродом. Самые первые опыты бы-
ли проведены на гигантском аксоне кальмара Loligo
[44, 45, 107, 108]. В один конец волокна обычно вво-
дят длинный капиллярный электрод и продвигают
его на 10—30 мм (фиг. 4). Присутствие внутрикле-
точного электрода не оказывает заметного влияния
на активность нерва, так как проткнутые электродом
аксоны сохраняются в течение многих часов и потен-
циал действия, отводимый внеклеточными электро-
дами, не изменяется при введении электрода внутрь
аксона. Широкое применение нашел и другой метод,
который основан на том, что во многие типы волокон
очень тонкий капилляр можно ввести в поперечном
направлении, не вызывая заметного повреждения
[154]. Как правило, у таких электродов диаметр кон-
чика меньше 0,5 мк и для понижения электрического
сопротивления они заполнены 3 М раствором КС1
[168]. Оба метода применялись на гигантских аксонах
Loligo и дали одинаковые результаты. В таких экспе-
риментах найдено, что внутреннее содержимое нерв-
ного волокна, находящегося в состоянии покоя, заря-
жено отрицательно по отношению к наружному рас-
16
твору; эта постоянная разность электрических
потенциалов равна 50—70 мв, и ее называют потен-
циал покоя. Когда по волокну распространяется им-
пульс, внутренняя часть волокна на короткое время
Ф и г. 4. Микрофотография регистрирующего электрода, введен-
ного внутрь гигантского аксона кальмара [107].
Гигантский аксон, который выглядит как прозрачная область вокруг влек»
трода, был изолирован вместе с тонкими нервными волокнами, расположен-
ными по обеим его сторонам. Одно деление шкалы равно 33 м/с.
становится положительной и возникает потенциал
действия с амплитудой 100—120 мв. На вершине по-
тенциала действия разность потенциалов между аксо-
плазмой и наружным раствором составляет 40—
50 мв.
2 А. Ходжкин
17
На фиг. 5 показана форма потенциала действия
гигантского аксона Loligo. Запись на фиг. 5, А сде-
лана на интактном аксоне, не выделенном из тела
животного. Когда микроэлектрод с диаметром кон-
чика около 0,5 мк проткнул поверхность волокна, по-
тенциал быстро сместился до нового уровня, равного
примерно —70 мв; это и есть потенциал покоя.
Потенциал
0,4 мсек 0,4мсек
Ф и г. 5. Потенциалы действия в интактном (Л) изолирован-
ном (Б) аксоне кальмара [104].
А — при температуре 8,5 ; Б —при температуре 12,5°. Отметка времени 0,4 мсек.
Запись показывает потенциал действия который рас-
пространяется по волокну. Его амплитуда равна
110 мв и длительность (при 9°) —примерно 1,5 мсек.
В этом опыте кальмара подвергали лишь незначи-
тельной операции, и нерв еще связан с мышцей. Спу-
стя несколько миллисекунд после прохождения под
микроэлектродом импульс достиг мышцы. Стенка
тела резко дернулась, микроэлектрод сломался, и на
этом опыт закончился. По этой и многим другим при-
чинам проще работать на изолированном аксоне. На
таком препарате и получена запись, представленная
на фиг. 5, Б. Потенциал действия несколько отли-
чается от потенциала действия интактного аксона, но
основные черты механизма проведения в обоих слу-
чая* одинаковы.
При понижении температуры на 10° длительность
потенциала действия увеличивается в 2—3 раза. Дли-
тельность потенциала действия в волокнах лягушки
при 20° равна примерно 1 мсек, а в волокнах млеко-
питающих при 38° — около 0,5 мсек.
18
Когда нерв кратковременно раздражают электри-
ческим током, нервный импульс всегда возникает под
катодом. Это означает, что нервный импульс начи-
нается в результате уменьшения разности потенциа-
лов на мембране. Величина, на которую должен
уменьшиться мембранный потенциал, зависит от кон-
центрации двухвалентных ионов (Са и Mg) в окру-
жающем растворе; в нормальной среде эта величина
для нерва кальмара и лягушки равна примерно 15 мв.
Сразу же после того, как в результате раздраже-
ния возник импульс, нерв вступает в абсолютный
рефрактерный период, во время которого никакое по-
вторное раздражение, независимо от его силы, не мо-
жет вызвать второго импульса. Абсолютный рефрак-
терный период имеет почти такую же длительность,
что н основная часть потенциала действия. За ним
следует относительный рефрактерный период, во вре-
мя которого можно вызвать второй импульс, но толь-
ко с помощью более сильного раздражения.
Другой интересной характеристикой нервных во-
локон служит максимальная частота, с которой они
могут передавать импульсы. Можно было бы думать,
что минимальный интервал между импульсами в ка-
кой-либо серии должен быть равен абсолютному ре-
фрактерному периоду. Однако это не так, поскольку
во время относительного рефрактерного периода им-
пульс распространяется медленнее, а кроме того, тре-
буется значительное время, чтобы в этот период вы-
звать импульс. Следовательно, интервал между им-
пульсами в непрерывной серии должен быть больше
абсолютного рефрактерного периода. Если интервал
между стимулами равен абсолютному рефрактерному
периоду, то удается вызвать два импульса, третий же
не возникнет. Нервные волокна Carcinus, абсолют-
ный рефрактерный период которых при 20° равен
примерно 1 мсек, могут передавать импульсы с ча-
стотой не более 500 сек~] [99]. Для нервных волокон
млекопитающих с абсолютным рефрактерным перио-
дом около 0,5 мсек верхний предел частоты состав-
ляет приблизительно 1000 имп/сек [77]. Это намного
выше того, что обычно наблюдается у живых су-
ществ. В слуховом нерве могут иногда возвикать
импульсы с частотой до 1000 сек-1, но другие органы
2* 19
чувств или двигательные нейроны редко посылают
импульсы с частотой более 200 сект'. Нормальные
рабочие пределы частоты у животных 5—100 имп!сек.
Некоторые виды электрических угрей Южной
Америки полностью используют способность нервов
проводить импульсы с высокой частотой. Эти живот-
ные отыскивают и захватывают добычу в мутной во-
де, испуская электрические импульсы и обнаружи-
вая искажения электрического поля при помощи чув-
ствительных рецепторов (о которых мы почти ничего
не знаем). Электрический орган дает разряды не-
прерывно в течение всей жизни рыбы, и у некоторых
видов частота разряда может достигать 1600 имп/сек
[156]. Поскольку каждый электрический разряд вы-
зывается нервным импульсом, не только электриче-
ские пластинки, но и нервные волокна должны обла-
дать способностью непрерывно проводить импульсы с
этой частотой. Если допустить, что Stenarchus albi-
frons [156] без перерыва в течение трех лет дает раз-
ряды с частотой 1000 имп!сек, то его нервные волок-
на и электрические пластинки за это время должны
провести 1011 импульсов.
г Л А в А II
е
СТРУКТУРА И ОБЩИЕ СВОЙСТВА
НЕРВНЫХ волокон
МОРФОЛОГИЯ НЕРВНЫХ волокон
В зависимости от того, как выглядят нервные во-
локна под микроскопом, их можно разделить на два
типа. В миелинизированных нервных волокнах, к ко-
торым у позвоночных животных относятся все волок-
на, за исключением самых тонких, протоплазматиче-
ская сердцевина волокна окружена оболочкой из
жироподобного вещества — миелина. Примерно через
каждый 1 мм оболочка прерывается узкими щелями,
называемыми перехватами Ранвье (фиг. 6). У немие-
линизированных волокон жировая оболочка отсут-
ствует, и волокно состоит из цилиндра протоплазмы,
отделенного от окружающей среды мембраной, ко-
торая имеет толщину около 100 А. Такая же мембра-
на есть и в перехватах Ранвье. В периферических во-
локнах высших животных аксон частично окружен
шванновской клеткой или слоем шванновских кле-
ток, о которых будет сказано ниже. Длина нервных
волокон варьирует от долей миллиметра у мелких
насекомых до нескольких метров у крупных млеко-
питающих. Диаметр волокон обычно колеблется от
0,1 до 20 мк> но некоторые беспозвоночные обладают
очень толстыми немиелинизированными аксонами и,
как обнаружил Юнг [213, 214], их диаметр у кальма-
ров может достигать 1 мм.
Ядро нервного волокна лежит в теле клетки. У ти-
пичных нервных волокон позвоночных тела клеток
расположены или в ганглиях задних корешков (чув-
ствительные волокна), или в передних рогах спинного
мозга (двигательные волокна). Ядро и тело клетки
21
Фиг. 6. Схема строения двигательного нервного волокна
позвоночного [139].
необходимы для роста и длительного существова-
ния нервных волокон, но их присутствие совсем не
обязательно для проведения импульсов. Так, нервы
лягушки проводят импульсы в течение недели и бо-
лее после отделения от клеточных тел. Изолирован-
ные аксоны кальмаров продолжают проводить им-
22
Фиг. 7. Очищенный от окружающих тканей и тонких волокон
гигантский аксон Loligo с введенным в него стеклянным капил-
ляром, диаметр которого ОД мм [121].
Темное поле.
пульсы в течение 24 час после извлечения из тела
животного. Хотя гигантский аксон кальмара ведет
себя как одна клетка, в действительности каждое во-
локно представляет собой синцитий, образованный
слиянием большого числа волокон, и в звездчатом
ганглии один гигантский аксон связан с несколькими
сотнями клеточных тел [213].
23
В обычном микроскопе при малом увеличении ги-
гантский аксон выглядит как прозрачный цилиндр
протоплазмы, окруженный тонкой оболочкой из со-
единительной ткани (фиг. 7). Считают, что эта обо-
лочка не имеет никакой специфической функции и
служит лишь для механической поддержки самого
аксона. В свежем состоянии протоплазма аксонов
кальмаров кажется гелем, и, если из протоплазмы
вынуть введенный в нее стеклянный капилляр, он
оставляет заполненное жидкостью пространство, в
котором можно видеть частички, падающие под влия-
нием силы тяжести. Когда частички достигают дна
«колодца», просверленного капилляром, они останав-
ливаются, показывая тем самым, что протоплазма
ведет себя как твердое тело, а не как жидкость. Про-
топлазма гигантского аксона обладает слабым двой-
ным лучепреломлением, которое соответствует про-
дольной ориентации белковых мицелл [17], и на окра-
шенных препаратах часто видны продольные нейро-
фибриллы. Однако, как будет показано в гл. III,
есть весьма серьезные основания полагать, что основ-
ная масса аксоплазмы не существенна для проведе-
ния возбуждения, и нейрофибриллы независимо от их
важности в других процессах, например в регуляции
роста нервных волокон, не имеют прямого отношения
к цепи явлений, непосредственно ответственных за
проведение нервных импульсов. В протоплазме всех
исследованных нервных волокон видны митохондрии.
В толстых нервных волокнах ракообразных они скон-
центрированы непосредственно под поверхностной
мембраной [80], и это очень благоприятно для снаб-
жения мембраны энергией.
Одним из наиболее волнующих событий, проис-
шедших за последние 10 лет, было то, что при по-
мощи электронного микроскопа удалось «увидеть»
клеточную мембрану, существование которой биологи
так долго лишь предполагали. Слово «увидеть» взя-
то в кавычки, так как в обычном смысле слова мем-
брана, конечно, не видна. На самом деле видны лишь
скопления атомов тяжелых металлов, входящих в со-
став «электронного красителя»; в качестве такого
красителя в зависимости от обстоятельств используют
осмиевую кислоту, перманганат или фосфовольфрамо-
24
bvk) кислоту. Однако здесь ситуация не сильно отли-
чается от обычной в гистологии, где неокрашенные
срезы в большинстве случаев остаются невидимыми.
Ф в г. 8. Электронная микрофотография двух тонких немиели-
низированных аксонов седалищного нерва лягушки [175].
1 — аксон; 2—шванновская клетка; 3—митохондрии. Фиксация перманганатом.
Полное описание новейших достижений в этой обла-
сти электронной микроскопии сделал Робертсон [177],
и каждый, кто интересуется данным вопросом более
подробно, должен обратиться к его статьям. На
фиг. 8 приведена электронная микрофотография двух
тонких немиелинизированных аксонов лягушки. Вид-
ны осевой цилиндр, мембрана аксона и шваннов-
ская клетка, которая охватывает, но не полностью
окружает аксон. Толщина всей мембраны аксона со-
ставляет около 70 А; при исследовании мебраны под
большим увеличением можно различить две плотные
25
линии, отстоящие друг от друга примерно на 50 А.:
Робертсон предполагает, что «электронный краситель»
осаждается на каждой стороне бимолекулярного
слоя липидов, возможно на его полярных группах,
или на гидрофильных группах белков по обе сто-
роны от углеводородного слоя.
До сих пор в мембране еще не удалось увидеть
тонкую структуру, и хотя утешительно сознавать, что
действительно существует мембрана такой толщины,
какая была предсказана на основании электрических
измерений, электронная микроскопия еще не достиг-
ла такого развития, чтобы пролить свет на природу
изменения проницаемости. Наиболее интересные дан-
ные, полученные в результате электронномикроско-
пических исследований нерва, связаны со шваннов-
скими клетками. На фиг. 9, А приведен простейший
случай, когда одна шванновская клетка окружает
один аксон. Часто, как, например, в пучках ремаков-
ских волокон у позвоночных, несколько аксонов имеют
одну общую шванновскую клетку (фиг. 9,Б). Про-
тивоположная ситуация наблюдается у более тол-
стых аксонов ракообразных, где несколько шваннов-
ских клеток окружают по периметру один аксон
(фиг. 9,В). В гигантском аксоне кальмара шваннов-
ские клетки окружают волокно еще более сложным
образом — их отростки располагаются в несколько
слоев и частично перекрывают друг друга (фиг. 9, Г).
Однако волокно никогда не бывает полностью заклю-
чено в оболочку из шванновских клеток, и всегда
можно найти каналы, соединяющие мембрану аксо-
на с внешней средой. Поскольку ионы калия, которые
во время импульса выходят из волокна, должны про-
ходить через слой шванновских клеток, можно пред-
положить, что при раздражении волокна с высокой
частотой они будут накапливаться снаружи, непо-
средственно около мембраны. Франкенхаузер и я на-
блюдали эффекты, которые и объяснили таким обра-
зом; при этом мы рассчитали, что водное простран-
ство непосредственно у наружной поверхности мем-
браны аксона имеет толщину 150—300 А [71]. Специа-
листы по электронной микроскопии обычно считают,
что пространство между аксоном и шванновской
клеткой равно 150 А.
26
Шванновская
. клетка^-
Фиг. 9. Взаимное расположение шванновских клеток и аксонов
в демиелинизированных волокнах.
А — тонкий аксон с одной шванновской клеткой (177); J5 — пучок ремаковских
волокон; несколько аксонов окружены одной шванновской клеткой 1177];
в — аксон ракообразного (средний по толщине) с несколькими шванновскими
клетками, окружающими одно волокно (217]; Г—гигантский аксон ХоМде;
большое число перекрывающихся отростков шванновских клеток образует
сложный слой (80]; слой шванновских клеток в гигантском аксоне кальмара
бывает обычно толще и сложнее, чем показано. Следует отметить, что здесь
клеточная мембрана представлена одной линией, тогда как на фиг. 10 и 11 она
будет изображена двумя линиями.
Поскольку все периферические нервные волокна
У высших животных окружены шванновскими клет-
ками, естественно было попытаться выяснить причину
такой ассоциации. Маловероятно, чтобы шванновские
клетки имели прямое отношение к проведению воз-
27
буждения: у мышечных волокон нет слоя шванновских
клеток, но они проводят такие же потенциалы
действия, как и нервы. Высказывалось предположен
ние, что шванновские клетки могут участвовать в пе-
реносе ионов во время фазы восстановления. Однако
это предположение не было подтверждено опытами,
в которых после отравления волокна цианидом пере-
качка ионов восстанавливалась только при введении
Ф и г. 10. Схема, показывающая образование миелина шван-
новской клеткой согласно теории Герен [176].
АТФ внутрь аксона, но не при действии АТФ на мем-
брану аксона снаружи (см. гл. VI). Скорее всего
шванновские клетки участвуют в синтезе ферментов
или компонентов мембраны, которые само нервное
волокно вырабатывать не может. Мышечные же во-
локна, которые И1^еют ядра, сами в состоянии под-
держивать целостность своей структуры и поэтому
не нуждаются в шванновских клетках. Несколько лет
назад Герен и Шмитт [80] высказали предположение,
что митохондрии в нервных волокнах могут образо-
вываться из впячиваний шванновской клетки. На
электронных микрофотографиях отчетливо видны та-
кие впячивания, но, как это признали Герен и Шмитт,
нет реальных доказательств, что именно они обра-
зуют митохондрии. Существует еще одна возмож-
ность, также не подтвержденная экспериментами.
Слой, образуемый шванновской клеткой, у немиели-
низированных нервов мог бы аналогично миелиновой
оболочке повышать скорость проведения возбужде-
ния. Однако трудность заключается в том, что у не-
миелинизированных нервов не описано ничего похо-
жего на перехваты Ранвье. Пока следует признать,
26
(iTO функция шванновских клеток не известна, однако
разумно предположить, что на них можно не обра-
щать внимания, не упуская при этом ничего суще-
ственного в механизме проведения.
В миелинизированных нервных волокнах шван-
новские клетки выполняют интересную и важную
функцию — они образуют миелиновую оболочку. Как
дующейся плотности, наблюдаемых на электронных микрофото-
графиях [183].
1 — главная плотная линия; 2 — промежуточная линия.
показано в гл. III, миелин представляет собой изо-
лятор, который дает возможность потенциалу дей-
ствия перескакивать от одного перехвата Ранвье к
следующему. Изолирующая оболочка, вероятно, со-
стоит из слоев липида, чередующихся со слоями бел-
ка; расстояние между липидными слоями равно при-
мерно 85 А. Изучая развивающийся куриный заро-
дыш, Герен [79] показала, что шванновская клетка
накручивает миелин по спирали вокруг аксона и что
отдельные слои в миелине непрерывно связаны с
мембраной шванновской клетки. На фиг. 10 приве-
дена схема этого механизма. После завершения не-
скольких оборотов цитоплазма шванновской клетки
исчезает п остаются только прилегающие друг к дру-
ГУ изолирующие мембраны (фиг. 11). Чередование
29
более плотных и менее плотных линий,.которые обн^У
руживаются на электронных микрофотографиях,
период 170 А, найденный методом дифракции ренц
геновских лучей [177, 184], вероятно, объясняются
различиями между внутренней (цитоплазматической}
и наружной поверхностями мебраны шванновской
клетки. По-видимому, у изолирующей оболочки не|
преимущественного направления закручивания. В одм
ном и том же волокне встречаются «межперехвая
ные» участки со спиралью, идущей по часовой стрел
ке, и участки со спиралью, идущей против часовой
стрелки [178]. 1
НЕКОТОРЫЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
НЕРВНЫХ ВОЛОКОН
Одно из многих полезных свойств гигантски]
нервных волокон заключается в том, что из их пе
ререзанного конца можно выдавить пробы прото;
плазмы, или, как ее обычно называют, аксоплазмы
В табл. 2 приведены некоторые результаты химиче
ского анализа аксоплазмы. Как и протоплазма мно
гих других клеток, она содержит в высокой конце»
трации ионы калия и в относительно низкой конце»
трации— ионы натрия и хлора. Такое соотношени!
концентраций прямо противоположно тому, котора
наблюдается в крови животных и в морской воде
где основными ионами являются натрий и хлор, I
калий присутствует в сравнительно небольших коли
чествах. Ионы калия внутри волокна, по-видимому
свободны, а не связаны с белками или другими круп
ными молекулами. Это утверждение основывается hi
данных различных экспериментов. Прежде всего 6М
ло бы трудно объяснить высокую электропроводност]
аксоплазмы (0,5—0,8 электропроводности морско
воды) или осмотическое равновесие, если бы в про!
топлазме основные ионы не были в свободном col
стоянии. Электрические измерения, показывающие^
что при высокой концентрации калия в наружной среа
де мембрана ведет себя подобно калиевому электрод»
[9, 45, 120, 133], также требуют, чтобы коэффициент
активности калия внутри волокна был таким же»
как и в окружающем растворе. Более прямые дока"
30
зательства получены с помощью радиоактивного ка-
зня К42, а также в опытах с внутриклеточными ка-
лиевыми электродами. Исследования с радиоактивным
калием показали, что подвижность и коэффициент
зпффузии этого иона внутри волокна почти такие
же, как и в свободном растворе [117]. С помощью же
внутриклеточных электродов установлено, что коэф-
фициент активности калия в аксоплазме такой же,
как и в морской воде [96].
Таблица 2
КОНЦЕНТРАЦИИ ИОНОВ И ДРУГИХ СОЕДИНЕНИЙ
В СВЕЖЕИЗОЛИРОВАННЫХ АКСОНАХ LOUGO
[27, 28, 104, 147, 149, 194, 195]
Вещество Концентрация, ммоль на 1 кг Н2О
аксоплазма кровь морская вода
К 400 20 10
Na 50 440 460
Cl 40—150 560 540
Са 0,4 10 10
Mg 10 54 53
Изэтионовая кислота 250 — —
Аспарагиновая кислота 75 — —
Глутаминовая кислота 12 — —
Янтарная и фумаровая кислоты 17 — —
Ортофосфат 2,5—9 — —
АТФ 0.7—1,7 —
Аргининфосфат 1,8—5,7 — —
Вода, г/кг 865 870 966
Хотя почти нет сомнений, что внутри нервных во-
локон калий находится главным образом в ионизи-
рованной форме, необходимо проявлять осторожность
при распространении этих результатов на другие ио-
ны, которые обладают большей способностью к обра-
зованию комплексов. Измерения подвижности каль-
Ния внутри аксонов кальмаров показывают, что под
Действием электрического поля этот ион двигается по
аксоплазме в 30 раз медленнее, чем в свободном рас-
творе [122], а согласно исследованиям Хинке [96]
31
с натриевыми и калиевыми электродами, коэффициент
активности натрия в аксоплазме примерно на ЗОЗ|
меньше, чем коэффициент активности калия. 1
Избыток положительных зарядов ионов калид)
внутри волокна уравновешивается органическим^
анионами, из которых, в частности в волокнах каль<
маров, наиболее важна открытая Кехлином [149] изэ^
тионовая кислота. Из других соединений, принимаю-
щих участие в установлении сбалансированности ка-
тионов, можно назвать аспарагиновую кислоту и та-
кие фосфорные эфиры, как аргининфосфат и АТФ
Изэтионовая кислота до сих пор найдена только i
нервах головоногих моллюсков; для большинству
возбудимых тканей пока не известно, какие анионь
уравновешивают в них высокую концентрацию ка<
лия 1.
Поверхностная мембрана нервного волокна служи'
барьером, препятствующим быстрому смешивании
ионов из наружного и внутреннего растворов. Эп
мембрана обладает высоким электрическим conpd
тивлением (аксон Loligo в состоянии покоя [39] имеет
сопротивление на единицу поверхности примернс
1000 ом • см2) и электрической емкостью [43] околс
1 мкф!см2. Такие величины можно было ожидать длз
бимолекулярного липидного слоя толщиной 50 А -
диэлектрической постоянной 5 и удельным сопротив
лением 2-109 ом-см. В отличие от высокого сопротив^
ления мембраны сопротивление аксоплазмы и наруж!
пого раствора равно примерно 30 и 20 ом* см coots
ветственно. Во время нервного импульса проводин
мость мембраны увеличивается приблизительно j
100 раз и ионы натрия и калия передвигаются nd
концентрационному градиенту. Предполагают, что этц
движение ионов служит непосредственным источник
ком энергии для проведения импульсов. Оно буде!
рассмотрено в последующих главах. 1
О химии нервной мембраны известно еще оченй
мало, но общепризнано, что мембрана содержит и ли4
пиды и белки. Как мы уже видели, миелиновая обо*
лочка образована многими слоями мембран шваннов^
1 О щелочно-кислотном балансе в мышцах позвоночных cjrfjj
Конвей [42], а в нервах ракообразных — Льюис [152].
32
ских клеток; поэтому анализ этой оболочки дает неко-
торое представление о химическом составе клеточных
мембран. Миелин состоит из белков, липопротеидов
и липидов; из липидов в нем найдены холестерин,
цереброзиды и многочисленные фосфолипиды, из ко-
торых наиболее простые — лецитин, кефалин и фосфа-
тидилсерин Ч Липиды обычно содержат длинные па-
рафиновые цепи, прикрепленные к полярной группе,
и вполне естественно предположить, что клеточная
мембрана представляет собой бимолекулярный слой,
внутри которого находятся неполярные, а снаружи —
полярные группы. Структуру такого рода впервые
предложили Гортер и Грендел [83], а затем развили
Дэвсон и Даниелли [47], которые предположили, что
полярные группы липида соприкасаются с белковыми
монослоями на каждой стороне мембраны. Кроме
миелина, единственным источником прямых данных
о химии клеточных мембран были эритроциты. Све-
дения о химии мембраны получали путем исследова-
ния «теней» эритроцитов, подвергавшихся гемолизу
в разведенных растворах. Отношение липида к белку
в этих мембранах равно примерно 1 : 1,7, причем в
них содержится достаточно липида для образования
слоя толщиной 30 А. Липиды в мембранах эритро-
цитов присутствуют в следующих количествах: холе-
стерин— 30%, лецитин—11, кефалин — 46 и сфинго-
миелин—8% [172].
1 Согласно Финеану [66], молекулярное соотношение холесте-
рина, фосфолипида и цереброзида составляет 2:2: 1.
ГЛАВА III
I
МЕМБРАННАЯ ТЕОРИЯ ПРОВЕДЕНИЯ НЕРВНОГО
ИМПУЛЬСА
ИЗЛОЖЕНИЕ ТЕОРИИ
В начале этого века Бернштейн выдвинул мем-
бранную теорию проведения нервного импульса [19-
20]. Он принял идею Германа, согласно которой рас-
пространение импульса связано с прохождение^
электрического тока по структуре, подобной кабелк
[93], и дополнил эту идею предположениями о причи!
нах возникновения потенциала покоя и потенциал^
действия. Поскольку во время генерирования нерв'’
ного импульса происходит изменение знака разности
потенциалов, а не просто нейтрализация мембраны!
как предполагал Бернштейн, его теорию пришлое!
существенно модифицировать. Однако в общих чер^
тах мембранная теория выдержала испытание времен
нем лучше, чем большинство других биологический
теорий. Основные положения Бернштейна о ролй
мембраны, которые его современникам, вероятно, ка]
зались спекулятивными, теперь практически все эле^
трофизиологи считают несомненными. Упомянув ещ<
замечательную статью Овертона [171] о роли ионо|
натрия, опубликованную в том же томе Pfluger’l
Archiv, что и статья Бернштейна [19], я не буд1
больше прослеживать историческое развитие мем?
бранной теории, а обрисую ее в том виде, в како^
она существует на сегодняшний день. |
Нервное волокно представляет собой длинный ци(
линдр с хорошо проводящей сердцевиной. Повер^
ностная мембрана волокна имеет относительно высо^
кое сопротивление. Предполагают, что в состояний
покоя мембрана более проницаема для ионов кали^
чем для ионов натрия. Поскольку концентраций
34
ионов калия внутри волокна выше, они стремятся ус-
тановить на мембране разность потенциалов, причем
ее внутренняя поверхность будет заряжена отрица-
тельно, а наружная — положительно. Если бы мем-
брана была проницаема только для ионов калия, раз-
ность потенциалов на ней могла бы достигать вели-
чины, которая определяется уравнением Нернста для
калиевого электрода:
= (!)
где Ук — равновесный потенциал для ионов калия,
определяемый как внутренний потенциал минус на-
ружный, [К]н и [KL — концентрация калия (или, точ-
нее, активность) снаружи и внутри волокна, R — га-
зовая постоянная, Т — абсолютная температура и F —
постоянная Фарадея. При таких концентрациях ка-
лия, которые найдены в крови (20 мМ) и аксоплаз-
ме (400 мМ) кальмара, рассчитанная величина Ук
равна —75 мв. Действительно, в интактных аксонах
с естественным кровообращением регистрируются
потенциалы покоя, равные примерно 70 мв [104, 166].
Меньшие величины потенциала покоя, полученные на
изолированных аксонах, погруженных в морскую во-
ду. объясняются, вероятно, тем, что их мембрана ме-
нее совершенно различает калий и натрий. Действи-
тельно, отношение проницаемости для К и для Na
в таких условиях составляет примерно 10:1. При вы-
сокой концентрации калия в наружной среде мембра-
на ведет себя подобно калиевому электроду [9, 45,
• 20, 133]. В этом состоит одно из основных доказа-
тельств того, что потенциал покоя, по крайней мере
частично, создается калиевым концентрационным
элементом.
Для объяснения реверсии мембранного потенциа-
ла во время развития импульса предполагается, что
на гребне спайка мембрана избирательно проницаема
Для ионов натрия. Разность потенциалов на мембра-
Не> проницаемой только для ионов натрий, выра-
жается формулой Нернста
RT [Na]
(2)
3*
35
Согласно этой формуле, при отношении конце^
траций, равном 9, предельное значение натриевог
потенциала 4-55 мв, что несколько больше экспер»
ментально наблюдаемой величины обращенного п(
тенциала. Такой результат следует ожидать, есл
активная мембрана не абсолютно избирательна ц
отношению к ионам натрия. Предположение об избй
рательной проницаемости мембраны для натрия в
время импульса подтверждается опытами, которы
Фиг. 12. Схема, иллюстрирующая теорию локальных токо4
I — немиелинизированное нервное волокно; // — миелинизированное нервнц
волокно. Подробности см. в тексте. (
показали, что во многих возбудимых тканях потен
циал действия не возникает при отсутствии в наруии
ной среде натрия и лития и что разность потенция
лов обратного знака на мембране изменяется в за
висимости от наружной концентрации натрия в с<Я
ответствии с уравнением (2) [35, 46, 54, 116, 133, 1681
Данные, полученные Хинке [96] при помощи внутр»
клеточного натриевого электрода на гигантском нерм
ном волокне Loligo, также служат веским подтве|1
ждением правильности этого предположения. <
Распространение импульса связано с прохождвЗ
нием тока между покоящимися и активными участка^
ми нерва. На фиг. 12,/ показано прохождение тоЮ|
в немиелинизированном аксоне, примером которой
может служить гигантское волокно кальмара. Преф
положим, что точка А находится в активном состою
пии, а точка В — в покое. В точке А мембрана прй!
36
нииаема для натрия и, следовательно, внутренняя
часть волокна заряжена положительно, а в точке В
мембрана проницаема для калия и внутренняя часть
волокна заряжена отрицательно. Электрический ток
течет в локальной цепи между покоящимся и актив-
ным участками нерва. Этот ток понижает мембран-
ный потенциал непосредственно перед активным уча-
стком, уменьшая заряд, накопленный на мембране.
Снижение мембранного потенциала ведет к повыше-
нию проницаемости для натрия, и входящие ионы
натрия заряжают положительно внутреннюю поверх-
ность мембраны на новом участке волокна. Таким
способом волна перезарядки мембраны и повышения
ее проницаемости для натрия распространяется вдоль
нервного волокна. Распространение этой волны вы-
зывается электрическим током, который генерируется
при изменении проницаемости мембраны.
Если бы только что описанную модель можно
было сделать, мы обнаружили бы, что она дает сту-
пенчатый потенциал действия бесконечной длитель-
ности; такая система может послать только один
импульс и не может быть использована для переда-
чи сигналов. Существование кратковременных потен-
циалов действия и возможность получения серии им-
пульсов объясняются тем, что проницаемость для на-
трия увеличивается только на короткое время и в
более поздней фазе потенциала действия возрастает
проницаемость для калия. В результате этих изме-
нений спустя примерно 0,3 мсек после возникновения
потенциала действия ионы калия начинают выходить
из волокна быстрее, чем входят в него ионы натрия.
Движение ионов калия наружу восстанавливает пер-
воначальную разность потенциалов на мембране, и
спустя короткий промежуток времени волокно снова
в состоянии проводить импульс.
У большинства беспозвоночных нервные волокна
имеют однородную структуру и импульс распростра-
няется, по-видимому, непрерывно — от точки к точке.
“Следствие большой электрической емкости поверх-
постной мембраны (около 1 мкф/см2) и высокого со-
противления на единицу длины тонкого цилиндра
ксоплазмы этот тип проведения будет быстрым
37
только в толстых волокнах1. Более экономный спо^
соб получения высокой скорости проведения достиг-*
нут в миелинизированных волокнах, образующий
основную массу наших нервов. У этих волокон ббль-s
шая часть поверхности покрыта слоем миелина^
который действует как изолятор и значительно пони-
жает среднюю емкость на единицу длины. Возбуди-1
мая мембрана не покрыта миелином только в nepe-j
хватах Ранвье, и ток проходит между перехватами^
как показано на фиг. 12,//. Часть тока расходуете^
на зарядку миелина, но, поскольку, миелиновая обо-*
лочка относительно толста, ее емкость во много рази
меньше емкости возбудимой мембраны. Благодаря1 2 * * 5
сальтаторному проведению возбуждения, при котором
активность скачком передается от одного перехвата
Ранвье к другому, импульс проводится быстрее и с"
меньшими затратами энергии, чем в немиелинизиро^
ванном волокне сравнимого диаметра. Некоторые до-1
казательства существования такого механизма про?
ведения будут даны в гл. IV. j
ОБОСНОВАНИЕ МЕМБРАННОЙ ТЕОРИИ
Распространение возбуждения с помощью локальных токов Я
Прежде чем рассматривать природу изменений)
проницаемости, нужно уделить немного внимания не<Г
которым простым опытам, показывающим правили*
ность мембранной теории. Прежде всего множестве!
опытов с несомненностью доказывает, что импуль4
проводится посредством локальных электрический
токов, которые распространяются впереди активного
1 Скорость проведения возрастает с увеличением диаметр^
волокна, так как сопротивление на единицу длины осевого ци-л
линдра обратно пропорционально квадрату диаметра, тогда кая
емкость поверхности на единицу длины пропорциональна диаметр
ру. Из соображений размерности скорость должна быть пропори
циональна квадратному корню из диаметра в немиелинизирован^
ных волокнах и пропорциональна диаметру в миелинизированный
волокнах [103, 180].
2 Удобно различать теорию локальных токов, рассматривай^
щую только роль электрических токов в проведении возбужде!
ния, и мембранную теорию, которая пытается дать более полнуЛ
картину всей последовательности явлений, возникающих в пр<$»
цессе распространения возбуждения по нервному волокну.
38
участка. Один из таких опытов был поставлен, что-
бы проверить, изменяется ли скорость проведения
при изменении электрического сопротивления жидко-
сти, окружающей нервное волокно. На фиг. 13 при-
ведены результаты этого опыта. Одиночное волокно
травяного краба (Carcinus maenas) укрепляли таким
Фиг. 13. Влияние изменения сопротивления окружающей
жидкости на скорость проведения импульса [1(Ю].
J'и ill _ потенциал действия волокна, у которого 95% расстояния между
Раздражающими и отводящими электродами находится в морской воде;
>т и 'V — потенциал действия волокна, полностью погруженного в; масле,
холина проводящего участка 13 мм. Отметка времени 1 мсек. Аксон CarclnU9
maenas диаметром 30 мк.
образом, чтобы его участок между раздражающими
и отводящими электродами можно было погрузить
либо в большой объем морской воды, либо в масло.
Состав жидкости, окружающей волокно краба, во
вромя всего опыта оставался неизменным, так как
]осле перенесения волокна в масло его по-прежнему
39
окружала тонкая пленка солевого раствора. Однак(
площадь поперечного сечения, а следовательно, 1
проводимость наружного пути в масле значительнс
уменьшались, и поэтому здесь надо было ожидал
более низкой скорости проведения. Действительно
результаты опытов показывают, что при переносе во
локна в масло время прохождения импульсом фиксич
рованного расстояния увеличивается примерно на]
30%'. Эксперименты такого же типа, проведенные
впоследствии на гигантском аксоне Loligo, дали уве!
личение примерно на 100%. В этом случае не была
надобности применять масло, и наружное сопротив-j
ление изменяли с помощью простой операции: boJ
локно приподнимали из морской воды во влажный
воздух. (Иногда использовали масло, но эффект был
такой же, как и с воздухом.) Отношение сопротивле-
ния наружного проводящего пути к сопротивлению
аксоплазмы у волокна диаметром 500 мк выше, чем1
у волокон диаметром 30 мк, и поэтому на гигантских
аксонах наблюдалось более значительное изменение^
скорости. j
Гигантский аксон Loligo использовали также длй$
того, чтобы определить, можно ли увеличить ско-
рость проведения металлическими проводниками.
Участок волокна между раздражающими и отводя-'
щими электродами лежал на решетке из платиновых^
полосок (фиг. 14). Препарат помещали во влажнуюа
камеру, а полоски укрепляли так, что их можно былов
закорачивать при помощи ртутного переключателя.;
При замыкании скорость проведения возрастала при-
мерно на 16%. Эффект был невелик, но его можно
было легко наблюдать на экране осциллографа, тай
как для переключения требовались лишь доли се-
кунды. Единственный известный агент, способный’
проходить за такое время по металлической коротко-
замкнутой цепи, — это электрический ток. Таким об-
разом, этот опыт дает весьма веское доказательство
правильности теории локальных токов. Платиновые
электроды, использованные в опыте, были полярин
зующимися и обеспечивали контакт только в отдель-j
ных точках вдоль одной стороны нервного волокна^
что и привело к относительно малому увеличени!
скорости проведения.
40
I
На гигантском аксоне оказалось возможным по-
вторить эксперимент, проведенный ранее Остергаутом
и Хиллом [170] на возбудимых клетках водоросли
Nitella. В волокне, помещенном на металлических по-
лосках, между двумя полосками создавали блок про-
ведения. Блок был эффективен только до тех пор,
пока полоски не были соединены проводником. Если
Фиг. 14. Схема устройства
для уменьшения наружного
сопротивления с помощью
металлических проводни-
ков [100].
полоски замыкали с помощью ртутного контакта, по-
тенциал действия проходил через поврежденный уча-
сток и достигал регистрирующих электродов. Другие
доказательства правильности теории локальных токов
приведены в целом ряде работ [14, 50, 97, 98, 130,
140, 141, 197—199].
Увеличение проводимости мембраны во время импульса
Одним из лучших доказательств правильности
теории Бернштейна является то, что во всех изучен-
ных тканях импульс связан с кратковременным уве-
личением электропроводности мембраны [22, 37, 38,
65, 136, 203]. Увеличение проводимости мембраны во
время прохождения импульса показано на фиг. 15,
взятой из классической работы Кола и Кэртиса [38].
Проводимость измеряли с помощью двух электро^
Дов, помещенных на противоположных сторонах ги-
гантского аксона Loligo, на линии, перпендикулярной
его оси. Ширина белой зоны на фиг. 15 пропорцио-
нальна увеличению проводимости; потенциал дей-
ствия показан пунктирной линией. Анализируя свои
Результаты, Кол и Кэртис [38] сделали вывод,
Что сопротивление мебраны падает от величины
•000 ом-см2 в состоянии покоя до 25 ом-см2 в актив-
41
ном состоянии. Ни электрическая емкость мембраны^
ни сопротивление аксоплазмы заметно не изменялись^
Наблюдаемый экспериментально начальный подъему
О 1 2 345678 910
Время t мсек
Фиг. 15. Потенциал де&
ствия (пунктирная линия|
и увеличение проводимости
(белая зона) в гигантской
аксоне кальмара при 6° [38|
потенциала, обусловленный пассивным распространен
нием тока впереди активного участка, как и следовав
ло ожидать, предшествует увеличению проводимости
мембраны.
Возникновение разности потенциалов на мембране;
перфузия гигантских аксонов
Если потенциал действия возникает вследствие
изменений проницаемости, в принципе аксоплазму
внутри волокна можно заменить водным раствором
соответствующего состава. Слова «в принципе» не-
обходимо добавить потому, что пессимист мог бы
предположить, что удаление аксоплазмы, вероятно,
разрушит мембрану или по меньшей мере коренным
образом изменит ее физиологические свойства. Катц
и я пытались перфузировать аксоны в 1948 г., но не
добились больших успехов — отчасти потому, что ак-
соплазма представляет собой твердый гель и плохо
вымывается. Недавно Бэйкер и Шоу разработали ме-
тод, оказавшийся удивительно успешным [15, 16].
(Другой метод разработали Ойкава и др. [169].) Аксо-
плазму можно вытеснить из гигантского нервного во-
локна через срезанный конец. Для этого нужно
несколько раз проглаживать волокно стеклянной па-
лочкой или прокатывать его устройством, напоми-
42
L—।—।—।—।—L—i—l_ t । । i л I । । । । I
0 5 мсек 0 5 10 см
Фиг. 16. Восстановление потенциала действия, отводимого вне-
клеточными электродами, при заполнении <оболочки> аксоплаз-
мой [15].
-4 —интактный аксон; Б—из правой половины волокна аксоплазма выдавлена;
в~ правая половина волокна заполнена аксоплазмой, перемещенной из левой
половины; Г—то же, что и на фиг. В, спустя 2 час. 7—раздражающие алек-
троды; 2 — отводящие электроды.
нающим миниатюрный садовый каток. Волокно при-
ходится очень сильно сдавливать, и еще совсем не-
давно предполагали, что во время выдавливания
аксоплазмы поверхностная мембрана должна повре-
ждаться. Бэйкер и Шоу решили, что хорошо было бы
43
проверить это предположение. На фиг. 16 приведены
результаты одного такого эксперимента, проведен-
ного на более поздней стадии исследования. Потен-
циал действия регистрировали с помощью внеклеточ-
ных электродов, как показано на фиг. 16 справа. На
фиг. 16, А приведен обычный двухфазный ответ, за-
регистрированный в правой половине интактного во-
локна. На фиг. 16, Б показан ответ, зарегистрирован-
ный, когда аксоплазма из правой половины была
выдавлена; потенциал действия все еще возникал, но
из-за увеличения внутреннего сопротивления распро-
странялся более медленно, и амплитуда спайка, от-
водимого внеклеточными электродами, была сильно
уменьшен^. После перемещения аксоплазмы из ле-
вой части в правую внеклеточный потенциал дей-
ствия восстанавливался до первоначальной амплиту-
ды (фиг. 16, В) и сохранял такую величину в тече-
ние 2 час (фиг. 16,Г).
Эксперименты подобного рода, показавшие, что
выдавливание аксоплазмы не повреждает мембраны,
вдохновили Бэйкера и Шоу на попытку заменить
аксоплазму искусственным раствором. Для этого в
один конец волокна вводили канюлю, через другой
конец выдавливали аксоплазму и затем оставшуюся
оболочку волокна заполняли через канюлю каким-
либо раствором, например раствором сернокислого
калия. Примерно в 70% случаев такие заполненные
искусственным раствором аксоны проводили импуль-
сы, причем часто продолжали проводить их в течение
нескольких часов. Разработав этот метод, Бэйкер и
Шоу предложили мне присоединиться к ним, чему я.
естественно, был очень рад. Прежде всего мы ре-
шили выяснить, какие виды перфузионной жидкости
способны поддерживать возбудимость. Растворы, ис-
пользовавшиеся в более ранних опытах, содержали
ионы магния и бикарбоната, но оказалось, что ни
одно из этих веществ не является необходимым. Вну-
тренний раствор должен быть изотоничным и содер-
жать калий, а не натрий; природа же аниона оказа-
лась несущественной, так как потенциалы действия
были получены с изотоничными растворами хлорида,
сульфата, метилсульфата и изэтионата калия. По-
следнее соединение было использовано потому, что
44
оно содержится в высоких концентрациях в нерве
кальмара. Однако ионы изэтионата, по-видимому, не
играют никакой роли непосредственно в проведении
импульсов, поскольку потенциал действия аксонов,
заполненных изэтионатом, был почти таким же, как
и у аксонов, заполненных любым другим анионом1.
Все растворы не содержали кальция и обычно были
забуферены фосфатом до pH 7,5. Через волокно мо-
жно было пропустить большое количество раствора
(так что объем перфузированной жидкости в 150 раз
превышал объем волокна), прежде чем оно теряло
способность возбуждаться.
Эксперименты с внутриклеточными электродами
показали, что электрические свойства волокон, пер-
фузированных изотоническими растворами калия, не
сильно отличаются от свойств интактных аксонов.
Потенциал действия и потенциал покоя имели обыч-
ную величину 100—ПО и 50—70 мв соответственно,
и, как можно видеть из записей, приведенных на
фиг. 17, развитие потенциала действия во времени у
перфузированного волокна (фиг. 17,Л) было таким
же, как у нормального аксона (фиг. 17,Б).
Перфузионная жидкость быстро достигала по-
верхностной мембраны. Об этом можно судить по
скорости, с которой потенциал действия блокировался
при замене калия на натрий. Действие натриевых
растворов было полностью обратимо, если их приме-
няли в течение короткого времени, причем как блоки-
рование, так и восстановление могли наступать в те-
чение 10—20 сек. Скорость, с которой сказывалась
замена ионов, зависела от скорости протока и от
того, насколько можно было уменьшить мертвое
пространство.
Несмотря на то что в результате выдавливания и
последующей перфузии удалялось около 95% аксо-
плазмы, волокна после такой обработки продолжали
1 Это рассуждение нельзя считать убедительным, так как
Дальнейшие опыты с перфузией аксонов растворами с низкой
концентрацией анионов (см. Baker Р. F., Hodgkin A. L.,
Shaw Т. I, J., Physiol., 164, 355—374, 1962; Moore J. W.,
N arahashi T„ Ulbricht W, J. Physiol., 172, 163-174,1964)
вставляют предполагать, что у внутренней поверхности мембра-
Нь’ расположены анионы, которые не уходят в перфузионную
Жидкость. — Прим, ред.
45
О 1
2 3 4 5 6 7 8
Время, мсек
Фиг. 17. Потенциал действия аксона, отводимый с помощью
внутриклеточного электрода [15].
Д —аксон с выдавленной аксоплазмой заполнен раствором сернокислого
калия (16°); Б —интактный аксон (18°). По вертикальной шкале отложены зна-
чения потенциала внутриклеточного электрода по отношению к его потен-
циалу в наружном растворе без поправки на электродный потенциал.
жить в течение нескольких часов и проводили боль*
шое число импульсов, например 3-105. Это, по-види<
мому, хорошо согласуется с представлениями мем-
46
бранной теории, согласно которым непосредственный
источник энергии для проведения импульсов заложен
в градиентах концентрации ионов. Если с изменением
проницаемости связаны какие-то химические реак-
ции, то эти реакции, вероятно, должны происходить
в самой мембране или вблизи от нее, в тех местах,
откуда ферменты и другие реагирующие вещества не
могут легко диффундировать.
Предположение Бернштейна о происхождении по-
тенциала покоя подтверждается тем фактом, что по-
тенциал исчезает, если наружную концентрацию ка-
лия сделать равной внутренней, и что при высокой
наружной концентрации калия наблюдаемая величи-
на потенциала соответствует предсказанной уравне-
нием Нернста [9, 45, 120, 133]. Непригодность этого
уравнения при низкой наружной концентрации по-
зволяет предположить, что на потенциал, помимо ка-
лия, влияют и некоторые другие ионы. Существуют
данные, что в мышце, где распределение калия и
хлора близко к доннановскому [23], потенциал покоя
зависит как от ионов калия, так и от ионов хлора;
число переноса для К равно примерно 0,3, а для С1 —
примерно 0,6 [106]. В случае аксона кальмара необ-
ходимо найти какое-то другое объяснение, так как
измерения Колдуэлла и Кейнеса [32], осуществлен-
ные с помощью меченых атомов, свидетельствуют о
низкой проницаемости его мембраны для хлора. На-
ши собственные измерения, проведенные на перфу-
зированных аксонах, также указывают на это. Дей-
ствительно, замена сернокислого калия хлористым
калием вызывала незначительное изменение потен-
циала покоя1. В то же время полное замещение хло-
ристого калия хлористым натрием уменьшало по-
тенциал покоя до нуля; поэтому казалось бы, что,
кроме э. д. с. калиевого концентрационного элемента,
не существует другой большой э. д. с. и что гипотеза
Бернштейна в основном верна. Но почему же в та-
ком случае потенциал покоя относительно нечувстви-
телен к [К]« при концентрациях ниже 20 мМ?
1 Такая замена не влияет на потенциал покоя, по-видимому,
не из-за низкой проницаемости мембраны для хлора, а из-за
наличия у внутренней поверхности мембраны анионов, не обмени-
вающихся с хлором перфузионной жидкости. — Прим. ред.
47
Фиг. 20. Влияние уменьшения концентрации натрия в наруж-
ном растворе на потенциал действия [116].
/и II/ — аксон находился в морской воде; //—аксон находился в смеси
морской воды и изотонического раствора декстрозы. Д,// — */» морской воды
и а/3 изотонического раствора декстрозы; Б, II — морской воды и Vj изото-
нического раствора декстрозы; В, // — 0,7 морской воды и 0,3 изотонического
раствора декстрозы.
по отношению к наружной среде. Это наблюдается в
действительности: когда волокно заполнено изотони-
ческим раствором NaCl и погружено в изотонический
раствор КС1, внутренний раствор оказывается поло-
жительным по отношению к наружному, и разность
потенциалов составляет 50—60 мв.
Если потенциал действия зависит от возрастания
проницаемости для натрия, то при повышении содер-
жания натрия внутри волокна величина спайка бу-
дет уменьшаться, и в конце концов волокно станет
невозбудимым. На фиг. 19 показано действие раз-
личных концентраций натрия (волокно заполняли
растворами сульфатов). Запись б была получена
первой; при этом четвертая часть калия внутри во-
локна была заменена натрием. Удаление всего на-
трия привело к увеличению амплитуды потенциала
действия, как мо^кно видеть на записи а. Потенциал
не становится бесконечным, так как избирательность
мембраны по отношению к калию и натрию неабсо-
лютна: фактор селективности Pnh/Рк был, вероятно,
около 10. Когда половину калия заменили натрием,
потенциал действия упал и был лишь немного выше
потенциала покоя. Дальнейшая замена К на Na об-
ратимо блокировала проведение возбуждения. Полу*
ченные результаты являются естественным заверше-
нием хорошо известных исследований, показавших,
что при повышении наружной концентрации натрия
потенциал действия увеличивается, а при снижении —
уменьшается (фиг. 20). Из обеих групп эксперимен-
тов можно сделать вывод, что разница в наружной и
внутренней концентрации натрия служит источником
электродвижущей силы, которая генерирует потен-
циал действия.
Движение ионов во время активности
Одно из наиболее веских доказательств натриево-
калиевой мембранной теории состоит в том, что про«
ведение импульса связано с заметным возрастанием
скорости движения натрия и калия по градиентам
концентрации. Количество входящего натрия и выхо-
дящего калия можно определить с помощью изото-
пов или такими чувствительными аналитическими
4*
51
Для того чтобы внести ясность в эту довольно за-
гадочную ситуацию, мы определили зависимость ме-
жду внутренней концентрацией калия и потенциалом
покоя, используя смеси изотонических растворов КС1
и NaCL Полученные результаты приведены на
фиг. 18. Когда внутри волокна был только хлори-
стый натрий, потенциал был близок к нулю, но он
Фиг. 18. Влияние внутриклеточной концентрации калия на по-
тенциал покоя [15].
Наружным раствором служила морская вода, а внутренним —смесь растворов
хлористого натрия и хлористого калия, изотоничная морской воде.
быстро возрастал при замене натрия на калий и до-
стигал величины 40—50 мв при внутренней концен-
трации калия 150 мМ. Дальнейшее повышение
концентрации от 150 до 600 мМ приводило к возра-
станию потенциала только на 10 мв вместо 35 мв,
ожидаемых из уравнения Нернста. Другими словами,
наблюдается своего рода насыщение, которое препят-
ствует возрастанию потенциала покоя свыше 50—
60 мв. Это примерно тот же уровень, которым огра-
ничивается потенциал покоя при уменьшении наруж-
ной концентрации калия. Такой эффект почти навер-
няка возникает вследствие снижения проницаемости
для калия при возрастании потенциала покоя. Если,
что вполне вероятно, происходит некоторая утечка
ионов натрия через мембрану (связанная с неабсо-
лютпой избирательностью), следует ожидать, что по*
48
тенциал покоя ограничен величиной, при которой ко-
личество ионов калия, выходящих через канал
проницаемости, точно уравновешивается проникнове-
нием натрия внутрь волокна. В подтверждение та-
кого объяснения д-р Шоу показал, что кривая, при-
веденная на фиг. 18, хорошо согласуется с кривой,
вычерченной на основании уравнений, учитывающих
зависимость проницаемости для калия от мембран-
ного потенциала.
Время, мсек
Ф и г. 19. Влияние замены внутри аксона ионов калия ионами
натрия на потенциал действия [15].
а— изотонический раствор сернокислого калия; б — ’Д К заменена на Na;
а —половина К заменена на Na. Записи были получены в последователь-
ности б, а, в.
Таким образом, метод перфузии выявляет некото-
рые сложности и трудности, возникающие перед ка-
ждым, кто пытается применить физические теории к
биологическим мембранам. Однако он позволяет так-
же произвести довольно решительную проверку идеи,
согласно которой потенциал покоя регулируется ио-
нами калия. Предположим, что в начале опыта аксон
окружен морской водой (10 мМ К, 450 мМ Na) и
заполнен 600 jwAI раствором КС1; тогда потенциал
покоя равен примерно 60 мв, причем внутренняя по-
верхность мембраны заряжена отрицательно. Если
КС1 внутри волокна заменить на NaCl, потенциал по-
коя падает почти до нуля. Если теперь концентрацию
калия в наружном растворе увеличить до 600 мМ, то
создается положение, обратное нормальному, и вну-
тренняя часть волокна должна стать положительной
4 А. Ходжкин
49
методами, как, например, пламенная фотометрия или
активационный анализ. Результаты измерении раз-
ных авторов суммированы в табл. 3. Количество
Таблица 3
ЧИСТЫЕ ПОТОКИ ИОНОВ Na И к во ВРЕМЯ ОДНОГО ИМПУЛЬСА *
Препарат Диа- метр волок- Темпе- ратура, Накоп- ление Na Потеря К СГ/Г*’
на, мк мкмкмоль'см2
Аксон Carcinus 30 17 — 9 1.2
Аксон Sepia 200 15-20 3—4 3—4 1,2
Аксон кальмара 500 20 3—4 3—4 1,2
Аксон кальмара 500 6 — 9 1,2
Мышечное во- 100 20 15 10 6
локно лягушки
мкмкмоль'см
Миелинизиро- ванное нервное волокно лягушки 1Q *** 20 5-10~6 3-10_5-6 . ю-5 1.6 -10“‘
♦ Подробности см. в работе Ходжкина [104]; приведенные величины
взяты из целого ряда работ [11, 90, 105, 109, 142—144, 146, 179, 187, 188,211].
** С —емкость мембраны на 1 см2 (а в последней строчке — емкость
на единицу длины); К —амплитуда потенциала действия и F— постоянная Фара-
дея; V всюду принят равным 0,12 в; в немиелинизированных аксонах С равна
1 мкф{см\ в мышце —5 мкф!см* и в миелинизированных аксонах-
13 мкмкф]см (см. табл. 4).
♦♦♦ Корень из среднего значения квадрата диаметров всех миелинизиро-
ванных аксонов, представленных на фиг. 11 в работе Эрлангера и Гассера [59].
ионов, прошедших через мембрану, в большинстве слу-
чаев выражено в микромикромолях на квадратный,
сантиметр (1 мкмкмоль равен 10~12 грамм-ионов или
6,02ИО11 ионов). Важно, что при использовании изо-
топов удается измерять потоки ионов через мембрану
в обоих направлениях. Например, Кейнес [144] обна-
ружил, что в гигантском нервном волокне каракати-
цы каждый импульс связан не только с входящим
потоком Na (10,3 мкмкмоль/см2), но и с выходящим
потоком Na (6,6 мкмкмоль/см2). Таким образом, чи-
стый вход Na составляет 3,7 мкмкмоль/см2, что при-
близительно соответствует и потере калия на им-
52
пульс, и количеству натрия, вычисленному из общего
притока Na за время длительного раздражения.
Для объяснения возникновения потенциала дей-
ствия вполне достаточно входа 4 мкмкмоль натрия че-
рез 1 см2 поверхностной мембраны волокна. Действи-
тельно, чтобы изменить напряжение конденсатора
емкостью 1 мкф на 120 мв, необходим заряд, рав-
ный 0,12-10~6 к. Это эквивалентно 1,2 • 10"12 моль
одновалентного катиона, что составляет лишь 1/3 на-
блюдаемого входа натрия. Если бы вход натрия ока-
зался меньше теоретического минимума, это вызвало
бы большое затруднение. В то же время объяснить
превышение минимума совсем нетрудно. Натрий вхо-
дит не только для перезарядки емкости мембраны во
время восходящей фазы спайка. Значительная часть
входящего натрия сразу же обменивается на калий,
особенно во время ранней части фазы спада, когда
проницаемость мембраны высока для обоих ионов.
Понижение температуры, которое приводит к увеличе-
нию длительности потенциала действия, должно усили-
вать такой обмен ионов. Действительно, количество ио-
нов, проходящих через мембрану во время импульса,
возрастает при понижении температуры [188].
В гл. V мы рассмотрим косвенный метод расчета
количества ионов натрия, которые должны прохо-
дить через мембрану, и увидим, что предсказанные
величины прекрасно соответствуют найденным экспе-
риментально.
Изучение одиночных мышечных волокон лягушки
[105] показывает, что в этих клетках, мембрана ко-
торых обладает необычно большой емкостью, потоки
ионов также значительно больше, чем в нерве: вход
натрия на импульс составляет примерно 15, а потеря
калия — примерно 10 мкмкмоль/см2. Даже если ем-
кость мембраны действительно достигает 5—
10 мкф!см2 [62] (некоторые исследователи [60] сомне-
ваются, соответствует ли такая большая емкость по-
тенциалу действия), потоки натрия и калия, прохо-
дящие через поверхностную мембрану, все еще более
чем достаточны для генерирования наблюдаемых из-
менений мембранного потенциала.
Количество ионов натрия и калия, проходящих
через поверхностную мембрану во время импульса,
53
в миелинизированном аксоне гораздо меньше, чем в
немиелинизированном аксоне такого же диаметра.
Этого к следовало ожидать, так как в данном случае
ионные токи локализованы в перехватах Ранвье и
электрическая емкость миелиновой оболочки значит
тельно меньше емкости одиночной клеточной мембра-
ны. Однако, как показал Шейне [189], отношение чи-
сла двигающихся ионов и средней емкости на единицу
длины у миелинизированных волокон такое же, как
и у немиелинизированных. Асано и Харлбат [11] об-
наружили, что раздражение седалищного нерва ля-
гушки в течение часа с частотой 50 имп!сек вызывает
вход 5 мкмоль натрия на 1 г сырого веса и потерю
такого же количества калия (см. [40]). Согласно ра-
нее произведенным расчетам [102], на 1 г нерва ля-
гушки приходится 6-Ю5 см миелинизированного ак-
сона, и средняя емкость на единицу длины, которая
не должна зависеть от диаметра1, равна примерно
13 мкмкф/см. Таким образом, на 1 см длины волокна
за один импульс входит примерно 5-Ю-17 моль нат-
рия, тогда как теоретический минимум составляет
1,6* Ю"17 моль; отношение этих величин примерно та-
кое же, как и для гигантских аксонов.
Интересно сравнить плотность ионных потоков в
немиелинизированном аксоне и в перехвате Ранвье.
За один импульс в немиелинизированном аксоне че-
рез 1 мк2 поверхности проходит примерно 20 000 ио-
нов натрия. В миелинизированном аксоне на 1 см
длины приходится в среднем 5 перехватов Ранвье:
следовательно, за импульс через каждый перехват
входит 6* 10е ионов натрия. Если площадь мембраны
перехвата Ранвье равна 20 мк2, то количество ионов,
входящих через 1 мк2, достигает 300 000. Плотность
ионного тока в перехвате Ранвье также примерно в
10 раз больше, чем в гигантских аксонах. Вероятно,
в перехвате Ранвье участки, в которых ионы прохо-
дят через мембрану, сгруппированы более тесно, чем
в мембране немиелинизированного аксона.
1 В миелинизированных аксонах средняя емкость на едини-
цу длины не зависит от диаметра, если расстояние между пере-
хватами и толщина миелина пропорциональны диаметру и ши-
рина перехвата постоянна.
54
ЗАМЕНИТЕЛИ НАТРИЯ
Хотя потенциал действия возбудимых тканей не-
изменно сопровождается увеличением проводимости
мембраны, он не всегда связан с движением натрия
внутрь волокна. В некоторых тканях натрий могут
заменять определенные четвертичные ионы аммония
[157, 160] и, как впервые обнаружил Овертон [171],
эффективным заменителем всегда может служить ли-
тий. Такие эксперименты показывают, что клетки, в
норме генерирующие потенциал действия за счет
натрия, могут использовать его заменители; но, кро-
ме того, существуют определенные ткани, в которых
наличие или отсутствие натрия вообще мало влияет
на потенциал действия. В мышце краба при соответ-
ствующих условиях входящий ток создается ионами
кальция или другими двухвалентными ионами [61,
63], а Гаффи и Муллинз [76] считают основным про-
цессом в клетках водоросли Chara выход ионов хлора
из концентрированного сока. Однако, несмотря на
приведенные исключения, натриево-калиевый меха-
низм все же достаточно широко распространен, чтобы
оправдать те усилия, которые были затрачены на его
изучение.
ГЛАВА IV
САЛЬТАТОРНОЕ ПРОВЕДЕНИЕ ИМПУЛЬСОВ
В МИЕЛИНИЗИРОВАННЫХ НЕРВАХ
ВВЕДЕНИЕ
В предыдущей главе я упомянул о некоторых
экспериментах, доказывающих, что проведение им-
пульсов определяется электрическими токами, кото-
рые распространяются впереди активного участка.
В немиелинизированном нерве и мышце распростра-
нение тока происходит непрерывно и проведение
представляет собой, по-видимому, однородный про-
цесс. Что же касается миелинизированного нерва, то
в настоящее время существует много доказательств
правильности теории, выдвинутой Лилли в 1925 г.
[153]. Согласно этой теории, проведение происходит
дискретно, или сальтаторно, т. е. импульс перескаки-
вает от одного перехвата Ранвье к следующему. Ак-
тивное генерирование тока локализовано в перехва-
тах Ранвье; миелин же служит изолятором. Благо-
даря низкой электрической емкости миелина скорость
проведения повышается, так как местные токи могут
воздействовать на возбудимую мембрану, располо-
женную на значительном расстоянии впереди актив-
ного участка. В большинстве возбудимых тканей вхо-
дящий ток, который дает возможность импульсу рас-
пространяться без декремента, создается движением
ионов натрия по концентрационному градиенту во
время периода высокой проницаемости для натрия.
В применении к сальтаторной теории это означает,
что ионы натрия входят в миелинизированный аксон
только в перехватах Ранвье, но за счет локальных
токов деполяризуют все волокно. До сих пор никому
еще не удалось проверить прямым методом это по*
50
следнее предположение о роли ионов натрия в пере-
хватах, однако правильность самой сальтаторной тео-
рии подтверждена большим количеством данных.
ЭКСПЕРИМЕНТЫ, ПОКАЗЫВАЮЩИЕ, ЧТО ВОЗБУЖДЕ-
НИЕ ВОЗНИКАЕТ В ПЕРЕХВАТАХ РАНВЬЕ
В книге по микрофизиологии нерва, опубликован-
ной в 1934 г., Като [134] описал опыты Кубо и Оно,
в которых электрическое раздражение прикладывали
к разным точкам вдоль нервного волокна. Порог
раздражения был наименьшим, когда катод поме-
щали у перехвата Ранвье, и наибольшим, когда
катод располагали на середине участка между пере-
хватами. В таких опытах ток может распростра-
няться вдоль волокна и возбуждать соседний пе-
рехват, поэтому сильное раздражение вызывает
возбуждение и в том случае, когда катод находится
между перехватами. Ток можно ограничить, используя
устройство с тремя электродами, в котором катод
расположен между эквипотенциальными анодами.
В этом случае, как впервые показал Тасаки, электри-
ческий порог низок, когда в «катодной» области на-
ходится перехват Ранвье, но если в эту область пе-
рехват не попадает, то порог будет фактически
бесконечно высоким [159, 197, 202]. В конце 30-х го-
дов Тасаки произвел превосходный анализ взаимо-
действия пар электрических стимулов в схеме с
воздушным мостиком-изолятором и с несомненно-
стью доказал, что раздражающий ток действует на
перехват Ранвье. Он показал также, что миелиновая
оболочка имеет довольно значительную емкость и
что ее электрическое сопротивление должно быть го-
раздо выше, чем сопротивление мембраны перехва-
та [197—199].
ЭКСПЕРИМЕНТЫ, ПОКАЗЫВАЮЩИЕ, ЧТО ПЕРЕХВАТЫ
РАНВЬЕ ОСОБЕННО ЧУВСТВИТЕЛЬНЫ
К БЛОКИРУЮЩИМ АГЕНТАМ
В 1936 г. Като [135] обобщил данные, полученные
в его лаборатории Тасаки и другими исследователя-
ми; согласно этим данным, агенты, подобные кокаину
57
и уретану, действуют на перехваты Ранвье, но не
влияют на участки волокна между перехватами.
Эрлангер и Блэр [58] показали, что в одиночных во-
локнах лягушки растворы глюкозы, не содержащие
солей, иногда вызывают блок в отдельных точках,
расположенных примерно на расстоянии 2 мм друг
от друга. Предварительно они изучили действие
анодной поляризации и обнаружили ступенчатое
уменьшение потенциала действия по мере увеличе-
ния поляризации. На основании этого авторы выска-
зали предположение, что анодная поляризация блоки-
рует нерв в особых точках и что потенциал действия
возникает не в любом месте волокна, а в определен-
ных его участках [57].
Опыты, проведенные после войны, полностью под-
твердили выводы Като, а Штемпфли [193] составил
длинный перечень химических веществ и физических
агентов (например, ультрафиолетовые лучи), кото-
рые действуют на перехваты Ранвье, но не действуют
на участки между перехватами. Ярким примером
этого может служить влияние охлаждения: пониже-
ние температуры всего волокна значительно увеличи-
вает длительность потенциала действия, но охлажде-
ние участка между перехватами не изменяет дли-
тельности продольного тока, связанного с нервным
импульсом [123].
ДОКАЗАТЕЛЬСТВА ТОГО, ЧТО ПОТЕНЦИАЛ
ДЕЙСТВИЯ ВОЗНИКАЕТ В ПЕРЕХВАТАХ РАНВЬЕ
Согласно сальтаторной теории, ток, направленный
внутрь и генерирующий восходящую фазу потенциа-
ла действия, входит в волокно только в перехватах
Ранвье. Это не означает, что разность потенциалов
на миелиновой оболочке остается неизменной или что
спайк можно зарегистрировать лишь в перехватах
Ранвье. Каждый участок между перехватами дей-
ствует как короткий отрезок кабеля с распределенной
емкостью, и разность потенциалов на миелиновой обо-
лочке в середине этого участка быстро достигает
среднего значения между разностями потенциалов на
58
мембране в перехватах, расположенных у концов ка-
беля. Поскольку время проведения возбуждения ме-
жду соседними перехватами Ранвье составляет 5—
10% длительности потенциала действия, амплитуда
спайка на середине участка между перехватами дол-
жна быть лишь немного меньше амплитуды спайка
в области перехвата. Кроме того, следует ожидать,
что скорость нарастания потенциала действия будет
меньше в середине участка между перехватами, так
как длительность восходящей фазы сравнима с вре-
менем проведения через этот участок. Оба приведен-,
пых факта — постоянство амплитуды и заметное
уменьшение скорости нарастания потенциала дей-
ствия в участке между перехватами — продемонстри-
ровали прямыми методами Холдер, Штемпфли и Та-
саки [124].
Для строгого доказательства сальтаторной теории
необходимо измерить радиальный ток в различных
точках вдоль волокна. Первые опыты этого типа про-
вели Тасаки и Такеути и описали их в двух работах
[204, 205], опубликованных в Германии во время вто-
рой мировой войны. Эти статьи во многих странах
оставались неизвестными даже и после войны, и про-
шло некоторое время, прежде чем важность экспери-
ментов Тасаки и Такеути была признана всеми. На
фиг. 21, взятой из работы Тасаки [201], показана схе-
ма их опыта и приведены полученные результаты.
Одиночное волокно лежит в трех каплях раствора
Рингера, разделенных двумя воздушными промежут-
ками; расстояние между этими воздушными проме-
жутками равно приблизительно 1 мм. В одном опы-
те (фиг. 21,Л) в средней капле находилась только
миелинизированная часть аксона, а в другом
(фиг. 21, Б)—в средней капле находился перехват.
С помощью регистрирующего устройства измеряли
радиальный ток, причем, если сопротивление R было
мало по сравнению с сопротивлением воздушных
промежутков, измерение было достаточно точным.
Пусть ток /12 течет в наружной цепи от капли / к ка-
пле 2, а ток /2з — от капли 2 к капле 3; тогда через
сопротивление R будет проходить ток, равный разно-
сти этих токов, которая в свою очередь равна току,
входящему в волокно из капли 2.
Сразу видно, что записи А и Б совершенно раз-
личны. В опыте, приведенном на фиг. 21, Л, радиаль-
ный ток направлен наружу, что н следовало ожидать,
Фиг. 21. Мембранный ток [201].
Л —через участок волокна длиной 1 мм, расположенный между перехватами
Ранвье; Б —через перехват Ранвье. Отклонение вверх соответствует выхо-
дящему току. Подробности см. в тексте.
если миелинизированная часть волокна пассивно раз-
ряжается через перехват Ранвье. Правый перехват
разряжается позже левого, и поэтому на осцилло-
Ф и г. 22. Устройство, исполь-
зованное Хаксли и Штемп-
фли [130], для измерения про-
дольного тока во время актив-
ности одиночного миелинизи-
рованного волокна.
Волокно связано с горизонтальным
плечом микроманипулятора.
грамме (фиг. 21,Л) видны два пика. В опыте, при-
веденном на фиг. 21, Б, первая фаза тока направлена
наружу; она соответствует пассивной деполяризации
перехвата. За ней следует фаза тока, направленного
60
10
Ф к г. 23. Распределение и изменение во времени мембранного
тока в миелинизированном нервном волокне лягушки [130].
Каждая кривая показывает разность между величинами продольного тока
в двух точках, отстоящих друг от друга на 0,75 мм\ положение этих точек
по отношению к перехватам Ранвье показано справа. Вертикальные отметки
указывают время появления пикового потенциала на мембране. Отклонение
вверх соответствует выходящему току. Время отсчитывали от момента по-
явления артефакта раздражения.
внутрь, во время которой перехват Ранвье находится
в активном состоянии. Отсутствие соответствующей
фазы входящего тока на осциллограмме (фиг. 21, Л)
служит веским доказательством того, что ток, напра-
вленный внутрь, входит только через перехваты Ран-
вье, а именно от этого тока зависит распространение
импульса.
Хаксли и Штемпфли [130] подтвердили и расши-
рили данные Тасаки и Такеути. Они измеряли рас-
пределение тока во время импульса, протягивая
Мембранный
потенциал
Перехват Ранвье
Фиг. 24. Изменение во времени мембранного тока и мембран-
ного потенциала в перехвате Ранвье и в середине участка между
перехватами [131].
Отклонение вверх соответствует выходящему току.
Участок между перехватами
волокно сквозь короткий тонкий капилляр, заполнен-
ный раствором Рингера (фиг. 22). В таком устройстве
регистрация разности потенциалов на капилляре по-
казывала зависимость тока в наружной жидкости от
времени. Перемещая волокно в капилляре и произ-
водя большое число записей, авторы нашли зависи-
мость продольного тока и от времени и от расстояния
вдоль волокна. Радиальный ток через миелиновую
оболочку или перехват Ранвье получали дифференци-
рованием продольного тока, а разность потенциалов
на поверхности аксона — с помощью интегрирования
продольного тока вдоль волокна.
На фиг. 23 показано изменение радиального тока
в зависимости от расстояния вдоль волокна. Как и в
опытах Тасаки и Такеути, ток, направленный внутрь
62
волокна, во время восходящей фазы проходит только
через перехват Ранвье, а с миелинизированных уча-
стков отводится лишь меньшая компонента, направ-
ленная наружу.
Данные о процессах, которые протекают при воз-
буждении в миелинизированном волокне, выведенные
Хаксли и Штемпфли из только что рассмотренного
эксперимента, представлены на фиг. 24. Здесь пока-
заны мембранный потенциал и мембранный ток в пе-
рехвате Ранвье и в середине участка между перехва-
тами.
Ток через миелиновую оболочку имеет такой вид,
какой и следует ожидать в системе, состоящей из
параллельно соединенных емкости и сопротивления;
ток же через перехват Ранвье можно объяснить, толь-
ко допустив активное генерирование, которое может
иметь место, если резко увеличится проницаемость
мембраны перехвата для натрия.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
МИЕЛИНИЗИРОВАННЫХ НЕРВНЫХ ВОЛОКОН
Анализируя распределение тока и потенциала,
Хаксли и Штемпфли [130] смогли вычислить несколь-
ко констант, среди которых наиболее важной являет-
ся емкость миелиновой оболочки. Первоначально
оценки авторов были неточными, так как содержали
неизвестную величину а, равную отношению удель-
ного сопротивления аксоплазмы к удельному сопро-
тивлению окружающей среды. Позже они показали,
что а равна примерно 1,2, и это значение было ис-
пользовано для вычисления констант, приведенных в
табл. 4.
Из данных, приведенных в табл. 4, можно сделать
несколько интересных выводов. Диэлектрическая по-
стоянная миелина соответствует структуре из концен-
трических слоев липида с каким-то белком и водой
между ними. Ясно также, что миелиновая оболочка
представляет собой хороший изолятор, так как ее
удельное сопротивление примерно в десять миллионов
раз превышает удельное сопротивление раствора Рин-
гера.
63
Таблица 4
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МИЕЛИНИЗИРОВАННОГО
НЕРВНОГО ВОЛОКНА ЛЯГУШКИ *
Диаметр волокна Толщина миелиновой оболочки Расстояние между перехватами Ранвье (/) Площадь мембраны перехвата Ранвье (предполагаемая) Сопротивление на единицу длины осевого цилиндра (г) Удельноесопротивление аксоплазмы Емкость на единицу длины миели- новой оболочки (с) Емкость на единицу площади мие- линовой оболочки Диэлектрическая постоянная мие- линовой оболочки Сопротивление, умноженное на еди- 14 мк 2 мк 2 мм 22 мк2 140 Мом/см НО ом • см 10—16** мкмкф/см 0.0025—0,005** мкф/см2 5—10 0.1 **—0,16 Мш/сж2
ницу площади, миелиновой оболочки Удельное сопротивление миелино- вой оболочки 500 ** —800 Мом • см
Емкость перехвата Ранвье Емкость на единицу площади мемб- раны перехвата Ранвье Сопротивление перехвата Ранвье в покое Сопротивление, умноженное на еди- ницу площади, мембраны перехвата Ранвье 0.6—1,5** мкмкф 3—7 ** мкф/см2 40—80 Мом 10—20 ом • см2
Потенциал действия Потенциал покоя Максимальная плотность входяще- го тока Скорость проведения l/lrc *** 116 мв 71 мв 20 ма/см2 23 м/сек 22**—36 м/сек
♦ Представленные данные собраны Штемпфли [193|, главным образом
из работ Хаксли и Штемпфли [130, 132].
•* Величина взята из работы Тасаки [200].
Для пояснения физического смысла этой величины отметим, что время,
за которое потенциал пассивно распространяется на расстояние Z по кабелю
с сопротивлением г и емкостью с, пропорционально 1ггс; следовательно, l/lrc
имеет размерность скорости.
64
Из исследований миелиновой оболочки методами
дифракции рентгеновских лучей и электронной микро-
скопии известно, что слои, соответствующие одиноч-
ным мембранам шванновской клетки, расположены на
расстоянии 85 А друг от друга. Это означает, что в
оболочке толщиной 2 мк содержится около 240 таких
слоев. Поскольку электрическая емкость оболочки со-
ставляет 0,0025—0,005 мкф!см2, емкость каждой мем-
браны должна быть равна 0,6—1,2 мкф!см2, что хо-
рошо совпадает с величиной 1 мкф!см\ найденной
экспериментально для многих клеточных мембран.
Сопротивление каждого слоя равно примерно
500 ом • см2, т. е. оно того же порядка, что и у мем-
браны аксона кальмара. Электрические данные, сле-
довательно, довольно хорошо согласуются с предста-
влением, согласно которому миелиновая оболочка
состоит из большого числа клеточных мембран, нало-
женных друг на друга.
В табл. 4 приведены также значения сопротивле-
ния и емкости мембраны перехвата Ранвье. Они, ко-
нечно, определены не точно из-за трудности измере-
ния площади открытой мембраны перехвата Ранвье.
Если принять ширину зазора в перехвате за 1 мк, то
емкость на единицу площади мембраны перехвата,
будет равна 3—7 мкф!см2. Это несколько превышает
емкость большинства клеточных мембран. Не ясно,
обусловлена ли эта разница неточной оценкой пло-
щади перехвата Ранвье или эта мембрана действи-
тельно имеет ббльшую емкость на единицу площади.
Сопротивление мембраны, 10—20 ом-см2, конечно,
значительно меньше, чем в волокне кальмара, и это,
вероятно, связано со способностью перехвата Ранвье
давать пиковые плотности тока примерно в десять
раз большие, чем в немиелинизированном аксоне.
СКОРОСТЬ ПРОВЕДЕНИЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ
И ОПТИМАЛЬНАЯ ТОЛЩИНА МИЕЛИНОВОЙ
ОБОЛОЧКИ
Скорость проведения в миелинизированном аксоне
определяется как процессами, протекающими в пере-
хвате Ранвье, так и временем распространения ло-
кальных токов в участке между перехватами. Ясно,
5 А. Ходжкин
65
что при заданном наружном Диаметре волокна дол-*
жна существовать оптимальная толщина миелиновоЙ|
оболочки, при которой локальные токи распростра-i
няются наиболее быстро. Если миелиновая оболочка
тонка, она будет иметь большую емкость, если она
толста, диаметр осевого цилиндра будет мал и элеф
трическое сопротивление осевого цилиндра — высокой
В обоих случаях скорость распространения заряда
должна быть меньше, чем при некоторой промежу*
точной толщине миелиновой оболочки. Как показа^
Раштон [180], оптимальное отношение внутреннего
диаметра миелиновой оболочки к наружному не дол^
жно зависеть ни от диаметра волокна, ни от веще$
ства, из которого оно состоит. В кабеле с емкостью d
и сопротивлением г на единицу длины скорость рас*
пространения заряда определяется постоянной
которая имеет размерность см21сек и аналогична ко-
эффициенту диффузии, хотя и превышает его вели-
чину на много порядков. Если отношение внутреннего^
диаметра миелиновой оболочки к наружному равно
и наружный диаметр задан, то продольное сопротив^в
ление осевого цилиндра пропорционально р-2, а ем*
кость пропорциональна (in . Поэтому потенциал
будет наиболее быстро распространяться при макси*
мальном значении величины р21п-~. Оптимальной
значение р, полученное обычным методом нахождения
максимума, равной 2 =0,607. Это несколько мень-
ше общепринятой для толстых миелинизированных
волокон величины р=0,7. Поправка на утечку ток$
через миелиновую оболочку не изменяет оптимальъ
кого значения р, однако следует учесть наличиепрОЗ
водящего пути через перехват Ранвье. Ясно, что, раз^
емкость перехвата велика, выгодно увеличивать внут-
ренний диаметр миелиновой оболочки (сверх рассчи*
тайного выше оптимума), пока ее емкость не станет*
сравнимой с емкостью перехвата. Это соображений
можно принять во внимание при расчетах, определяя^
например, такое значение р, при котором максималь^
на величина Д=, где с — общая емкость на единиц^
66
длины волокна, включая и перехваты Ранвье и уча-
стки между перехватами. Согласно данным Хаксли и
Штемпфли [131], емкость перехвата Ранвье состав-
ляет 1/3 емкости участка между перехватами, тогда
как Тасаки [200] нашел, что это отношение равно 0,5.
Если принять для отношения величину 0,40, то -4=
максимально при р, равном 0,70, что хорошо согла-
суется с экспериментальными данными ’, а именно
0,69 [78], 0,71 [53] и 0,74 [181].
1 Эти величины относятся к самым толстым волокнам; мень-
шие величины, полученные для более тонких волокон, возможно,
связаны с ошибкой, возникающей при приготовлении срезов.
ГЛАВА V
ПРИРОДА ИЗМЕНЕНИЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ
МЕМБРАНЫ И РАСЧЕТ ПОТЕНЦИАЛА ДЕЙСТВИЯ
ЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМА ИЗМЕНЕНИЙ
ПРОНИЦАЕМОСТИ МЕМБРАНЫ
В течение последних пятнадцати лет было полу-
чено много количественных данных с помощью так
называемого метода фиксации потенциала. Этот ме-
тод состоит в том, что мембранный потенциал на
ограниченном участке мембраны смещают до некото-
рой новой величины и удерживают на этом уровне^
с помощью электронной схемы с обратной связью.
Ток, протекающий через этот участок под влиянием*
приложенного напряжения, измеряют отдельным уси-*
лителем. Работу на аксонах кальмара впервые про-л
вел Кол [34] \ а позже Хаксли, Катц и я [115]. Срав*«
нительно недавно Франкенхаузер [51, 52, 69, 70] при?"
менял этот метод к перехвату Ранвье. Франкенхаузем
обнаружил некоторые отличия у токов перехвата п®
сравнению с токами у гигантских аксонов, но в ос*в
новном картина была та же.
Для объяснения сущности метода удобно рассмор»
реть электрическую модель нервного волокна. Hal
фиг. 25 сопротивление г представляет осевой цилиндр
который связывает разные участки мембраны. Пред?
положим, что моделируемый нами нерв находится
большом объеме раствора, так что наружная жид-
кость эквипотенциальна и на схеме может быть пред^
ставлена проводником без сопротивления. На фиг. 2^
показан один элемент мембраны, а следует представ
1 См. также работу Мармонта [163] и последние статьи сО-;
трудников Кола в «Journal of General Physiology» и в «Bioph$
sical Journal».
вить себе большое число таких элементов, связанных
между собой и образующих непрерывный кабель. Ка-
ждый элемент содержит емкость мембраны С, калие-
вую батарею Vk и сопротивление а также на-
триевую батарею Vnh и сопротивление /?Na- Сопро-
тивление утечки Ry и батарея Vy введены для учета
движения ионов, проходящих по каналам, которые не
г
Аксоплазма
Фиг. 25. Эквивалентная схема элемента возбудимой мембраны
нервного волокна.
Подробности см. в тексте.
изменяются во время активности. Однако ток утечки
мал и в первом приближении его можно не прини-
мать во внимание.
Когда импульс распространяется по нервному во-
локну, потенциал внутри волокна зависит от времени
и от расстояния и через все элементы кабеля текут
изменяющиеся во времени токи. Метод фиксации на-
пряжения упрощает эту ситуацию. Во-первых, все
участки внутри аксона соединены металлической про-
волокой, так что в принципе нет никаких усложнений
из-за токов, распространяющихся вдоль волокна. Сле-
довательно, вместо того, чтобы иметь дело с кабелем,
можно рассматривать нерв как изолированный отрезок
60
мембраны. Во-вторых, экспериментатор контроли-
рует напряжение на мембране и может произвольно
устанавливать его величину. Например, используя
соответствующую аппаратуру, он может резко умень-
шить мембранный потенциал до нуля, что эквивалент-
но короткому замыканию мембраны. Тогда конден-
сатор С сразу разряжается, и с этого момента ток
создают только ионы, проходящие по /?Na и 7?к- Если
130
117
104
91
1ма/см‘
Фиг. 26. Мембранные токи, соответствующие различным сме-
щениям мембранного потенциала при температуре 3,5° [115].
Отклонение вверх соответствует выходящему току. Цифры справа показывают
величину смещения мембранного потенциала.
мембрана резко деполяризована до некоторого значе-
ния между 20 и НО мв, общий ионный ток (т. е. ток,
текущий после почти мгновенного разряда конденса-
тора) состоит из двух фаз. Сначала ионы натрия дви-
жутся по концентрационному градиенту, создавая
входящий ток. Однако эта компонента быстро умень-
шается и спустя примерно миллисекунду (при темпе-
ратуре 10°) сменяется выходящим калиевым током
[НО, 114]. Если мембрана деполяризована так, что
общая разность потенциалов равна напряжению на-
триевого концентрационного элемента Ука, натрие-
вый ток отсутствует и наблюдается только калиевый
ток, возникающий с обычной задержкой. При смеще-
нии потенциала за Vnh натриевый ток направлен на-
ружу (фиг. 26). Ионный ток зависит от концентраций
Na и К, и, изменяя концентрацию этих ионов, его
можно разделить на компоненты (фиг. 27). Зная ве-
личину калиевого и натриевого тока, нетрудно оце-
нить проводимость мембраны для каждого иона. На
фиг. 28 показаны изменения проводимости, вызванные
70
быстрым смещением потенциала внутри волокна на
4-56 мв. До этого изменения внутреннее содержимое
волокна было заряжено отрицательно по отношению
к наружному раствору и потенциал покоя составлял
Фиг. 27. Разделение мембранного тока (I) на калиевую и на-
триевую компоненты [110].
/ — аксон находится в морской воде, /«/Na+^K? // — большая часть натрия
заменена холином, ///—разность между / и //, /«/^.Темпера-
тура 8,5°. Отклонение вверх соответствует выходящему току.
50—60 мв. Поэтому смещение потенциала соответ-
ствовало внезапному короткому замыканию мембра-
ны. Натриевая проводимость начинает изменяться от
чрезвычайно низкой величины, быстро растет при-
мерно до 25 ммо/см2, а затем экспоненциально умень-
шается. Калиевая проводимость нарастает от малой,
но конечной величины. Это изменение начинается не
сразу, кривая увеличения калиевой проводимости
имеет S-образную форму, и проводимость достигает
П
постоянного уровня через 5—6 мсек. Изменения про-
ницаемости мембраны для калия и для натрия гра-
дуальны (т. е. происходят постепенно, без скачков) и
обратимы. Если восстановить потенциал покоя, про-
водимость уменьшается по экспоненте к первоначаль-
ной низкой величине. Скорость уменьшения натриевой
проводимости примерно в десять раз больше, чем
калиевой.
Время, мсек
Ф и г. 28. Изменение натриевой и калиевой проводимости во
времени при деполяризации мембраны на 56 мв [104, ПО, 111].
Сплошные линии показывают проводимость при длительной деполяризации
(кривые получены на основании кривых, приведенных на фиг. 27), а пунктир-
ные—при реполяризации мембраны через 0,6 и 6,3 мсек.
Важно отметить, что натриевая проводимость мо-
жет быть уменьшена двумя разными способами. Если
потенциал покоя, как в случае, показанном пунктир-
ной линией на фиг. 28, восстановлен через короткий
промежуток времени, система, регулирующая прони-
цаемость для натрия, быстро возвращается к состоя-
нию покоя. Второй импульс, нанесенный сразу же
после первого, вызывает в этом случае повторное уве-
личение натриевой проводимости. Если же деполяри-
зация продолжительна, натриевая проводимость
уменьшается более медленно вследствие процесса, на-
72
зываемого инактивацией [112]. Для того чтобы второй
импульс после инактивации натриевого канала мог
снова вызвать изменение проницаемости для натрия,
мембрана в течение нескольких миллисекунд до на-
несения этого импульса должна быть реполяризована.
Система, регулирующая проницаемость для калия в
нерве кальмара, не обнаруживает сколько-нибудь за-
метной инактивации, и высокая калиевая проводи-
мость сохраняется все время, пока мембрана депо-
ляризована.
Натриевая проводимость gNa выражается соотно-
шением
(У ~v«.y (3)
где /ыа — часть суммарного тока, обусловленная дви-
жением ионов натрия, V—мембранный потенциал и
V^Na — равновесный потенциал для ионов натрия, при
котором нет преимущественного направления для
движения Na+ через мембрану (см. уравнение 2).
Калиевая проводимость выражается аналогичным со-
отношением. Фактически уравнение (3) является
определением gNa и могло бы быть пригодным при
любом соотношении между /ха и V — Vnh- Однако
после того, как было установлено, что в волокнах
кальмара в нормальной ионной среде мгновенное зна-
чение натриевого тока прямо пропорционально дви-
жущей силе V — Ума, значение этого уравнения силь-
но возросло. Слово «мгновенное» здесь весьма суще-
ственно, так как после изменения мембранного потен-
циала проводимость меняется до новой величины и
ток пропорционален напряжению только в том слу-
чае, когда интервал времени между двумя измере-
ниями gNa пренебрежимо мал. Додж и Франкенхау-
зер [52] нашли, что в перехвате Ранвье мгновенное
соотношение между натриевым током и напряжением
нелинейно и лучше пользоваться понятием «прони-
цаемость», определяемым из уравнения постоянного
поля
/Na = PNa/Ч . (4)
VF
где = a /?, T и F имеют обычные значения (см.
стр. 35).
73
На фиг. 29 представлено семейство кривых, кото-
рые показывают зависимость проводимости от ампли-
туды скачка потенциала и от времени после ступен-
чатого изменения напряжения на мембране. Семей-
ство кривых не содержит разрывов, хотя и имеются
Фиг. 29. Изменение натриевой (Л) и калиевой (Б) проводи-
мости во времени при различных смещениях мембранного по-
тенциала [113].
Цифры показывают величину деполяризации. Точки показывают величины,
полученные на основе экспериментальных данных, а кривые—результат
решения уравнений, приведенных в Приложении. Температура 60°.
значительные различия в величине и характере изме-
нения проницаемости во времени. В области порога
(10—30 мв) проводимость возрастает очень быстро:
увеличение деполяризации на 4—6 мв вызывает уве-
личение проводимости в е раз.
Точки на фиг. 29 представляют величины, получен-
ные из экспериментальных данных, а кривые выве-
дены на основании количественной теории, развитой
74
Хаксли и мной. Уравнениям, на основе которых полу-
чены эти кривые, можно дать физическую интерпре-
тацию. Однако основной целью теоретической разра-
ботки были эмпирические соотношения, описывающие
изменения проницаемости.
Подбор уравнений для описания биологических
процессов часто оказывается мало продуктивным за-
нятием, но в данном случае Хаксли и я имели особую
причину для проведения такого анализа. При различ-
ных экспериментальных условиях в нервных волок-
нах происходят сложные электрические изменения, и
было совершенно не ясно, можно ли их объяснить
сравнительно простыми изменениями проницаемости,
которые показаны на фиг. 29.
ФОРМА РАСПРОСТРАНЯЮЩЕГОСЯ ПОТЕНЦИАЛА
ДЕЙСТВИЯ
Рассмотрим сначала наиболее интересный случай
потенциала действия, распространяющегося без де-
кремента по однородному участку аксона. Математи-
чески проблему можно сформулировать следующим
образом. Мембрана представляет собой длинную
трубку, наполненную ионами калия и окруженную
ионами натрия, а ее проницаемость для этих ионов
изменяется так, как показано на фиг. 29. Спраши-
вается, даст ли такая модель потенциал действия
правильной формы и будет ли скорость распростри^
нения соответствовать найденной экспериментально.
Как можно видеть, это сложная теоретическая про-
блема, и решение соответствующих уравнений можно
получить или численными методами, или при помощи
вычислительной машины. Численное решение было
получено Хаксли, и, как видно из кривых, приведен-
ных на фиг. 30, результаты оказались в высшей сте-
пени удовлетворительными, поскольку это решение
Достаточно близко к экспериментально наблюдаемому
потенциалу действия. Вычисленные значения скорости
проведения также находятся в хорошем соответствии
с наблюдаемыми.
После того как такой анализ произведен, можно
Дать более точное описание последовательности
75
явлений во время импульса. На фиг. 31 вычисленные
изменения натриевой и калиевой проводимости сопо-
ставлены с теоретическим потенциалом действия. При
прохождении импульса электрические токи, текущие
в локальной цепи по аксоплазме и наружной жидко-
сти, меняют разность потенциалов на мембране непо-
средственно перед активным участком. Изменение
Фиг. 30. Распространяющиеся потенциалы действия [113].
А —теоретическая модель; Б —аксон кальмара при 18,5°. Рассчитанная ско-
рость равна 18,8 м{сек, а наблюдаемая в эксперименте—21,2 ж/сек.
разности потенциалов вызывает увеличение натрие-
вой проводимости; ионы натрия входят в волокно, в
результате чего внутренняя поверхность мембраны
заряжается положительно и возникает ток, необходи-
мый для возбуждения следующего участка нерва. На
вершине спайка начинают появляться более медлен-
ные изменения, вызванные деполяризацией. Натрие-
вая проводимость уменьшается, а калиевая — увели*
чивается, так что скорость выхода ионов калия из во-
локна превышает скорость входа ионов натрия.
В результате мембранный потенциал сдвигается в
направлении равновесного калиевого потенциала.
Скорость реполяризации возрастает за счет того, что
по мере приближения разности потенциалов на мем*
бране к уровню потенциала покоя все быстрее отклю*
чается натриевая проводимость, которая еще не ус-
пела инактивироваться. Это повышение скорости ре*
76
поляризации хорошо видно в миелинизированных во-
локнах. В аксоне кальмара при 18° оно выражено не
отчетливо, но при 6° экспериментальные и рассчитан-
ные потенциалы действия совершенно ясно обнару-
живают этот эффект. (Температура сильно влияет на
скорость изменения проницаемости, а следовательно,
Проводимость, мм о/см2
Ф и г. 31. Теоретический расчет распространяющегося потен-
циала действия и проводимости при 18,5° [113].
Суммарный вход натрия составляет 4,33 мкмкмоль{см\ а суммарный выход
калия — 4,26 мкмкмоль[см\
и на форму потенциала действия.) Медленные эффек-
ты деполяризации —повышенная калиевая проводи-
мость и инактивация системы, переносящей натрий,—
сохраняются в течение нескольких миллисекунд и
приводят к возникновению рефрактерного периода.
Примерно спустя 5 мсек после окончания спайка во-
локно возвращается в исходное состояние и способно
проводить следующий импульс такой же амплитуды
и формы, как и первый. Разница лишь в том, что
волокно приобрело небольшое количество ионов
натрия и потеряло столько же ионов калия. Измене-
ния ионного состава можно рассчитать теоретически.
77
Результаты такого расчета хорошо согласуются с
экспериментальными данными.
Число ионов Na или К, проходящих через мембра-*
ну во время импульса, мало по сравнению с числом
этих ионов внутри гигантского волокна. Поэтому
внутренняя концентрация ионов заметно изменяется
только после прохождения большого числа импуль-
сов. Однако ясно, что волокно должно отдавать долг,
и оно делает это на досуге, после вспышки электриче-
ской активности. Эксперименты, относящиеся к этой
проблеме, рассмотрены в гл. VI.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТОКИ ЗАПУСКАЮТ
ГЕНЕРИРОВАНИЕ ПОТЕНЦИАЛА ДЕЙСТВИЯ
Эксперименты с фиксацией напряжения позволяют
сделать заключение, что при деполяризации мембра-
ны натриевая проводимость возрастает плавно, без
каких-либо резких скачков или разрывов. В таком
Фиг. 32. Схема регенеративного процесса в мембране при гене-
рировании потенциала действия.
случае естественно задать вопрос: почему же имеет-
ся резкий порог или почему потенциал действия под-
чиняется закону «все или ничего»? Ответ на этот
вопрос заключается в том, что проницаемость для
натрия и мембранный потенциал связаны регенера-
тивно. Эту связь иллюстрирует схема на фиг. 32.
Деполяризация мембраны сверх определенного
критического потенциала вызывает вход ионов натрия
78
в волокно со все нарастающей скоростью; в резуль-
тате напряжение на мембране быстро приближается
к потенциалу равновесия для ионов натрия. Следова-
тельно, порог возбуждения — это разность потенциа-
лов, при которой входящий натриевый ток точно ра-
вен выходящему калиевому току. При подпороговой
деполяризации выходящий калиевый ток превышает
Время, моек
Фиг. 33. Потенциал действия при различных уровнях началь-
ной деполяризации однородного участка мембраны [113].
А — теоретически рассчитанные кривые; 25 — потенциалы действия при 6°, от»
веденные от того же аксона, который использовали для получения кривых,
приведенных на фиг. 29. Цифры около кривых показывают силу раздражения
(в ммкку локтем*).
входящий натриевый, и мембрана реполяризуется до
уровня потенциала покоя. При критической деполя-
ризации натриевый и калиевый токи равны по вели-
чине и противоположны по направлению и мембран-
ный потенциал может оставаться некоторое время на
постоянном уровне в состоянии неустойчивого равно-
весия, прежде чем начнет нарастать, давая потенциал
Действия, или падать до уровня потенциала покоя.
На фиг. 33, Б показано изменение напряжения,
79
наблюдаемое в нерве после смещения потенциала кек
роткими раздражающими импульсами. Кривые на!
фиг. 33,А были рассчитаны Хаксли на основе уравне-а
ний, которые мы вывели для описания изменений
проницаемости мембраны для Na и К. 1
Теоретические решения, полученные Колом и егй
сотрудниками [36, 67], предсказывают, что при раз-
дражении постоянным током (в определенной обла-;
сти интенсивностей тока) мембрана должна генери-
ровать серии импульсов, похожие на те, которые часто
наблюдаются в аксоне кальмара L Упомянутые урав-
нения дают достаточно хорошую теоретическую ос-
нову для описания целого ряда других свойств элект-
рической активности нерва — рефрактерного периода,
подпороговых колебаний потенциала, возбуждения
под анодом при размыкании тока [113], а также влия-
ния температуры на потенциал действия [129].
АККОМОДАЦИЯ К ЭЛЕКТРИЧЕСКОМУ
РАЗДРАЖЕНИЮ
Описанные выше изменения проницаемости, ве-
роятно, могут объяснить, почему медленно нарастаю-
щий ток не в состоянии вызвать потенциал действия.
Данный вопрос не был рассмотрен строго, но в пользу
высказанного утверждения можно привести следую-
щие аргументы. Деполяризация мембраны вызывает
эффекты двух типов: быстрый — увеличение прони-
цаемости для натрия и медленный — инактивацию
системы, переносящей ионы натрия, и увеличение про-
ницаемости для калия. При постепенной деполяриза-'
ции преобладают медленные эффекты. В результате
вход натрия не превышает выхода калия и регенера-
тивный процесс блокируется. Поэтому при воздей-
ствии медленно нарастающего тока большинство нер-
вов переходит в рефрактерное состояние, не генери-
руя потенциала действия. Формально это можно объ-
яснить тем, что у аксонов кальмара или лягушки (ис-
ключение составляют аксоны некоторых ракообраз-
1 Важное отличие состоит в том, что данная модель пред-
сказывает серию бесконечной длительности, тогда как аксон
кальмара обычно генерирует лишь короткую серию (см. [67, 91]).
80
ных) в состоянии равновесия «наклонная проводи-
мость» мембраны положительна при всех значениях
мембранного потенциала. Следовательно, любое зна-
чение потенциала устойчиво, если оно достигнуто до-
статочно медленно.
ПОВТОРНЫЕ ОТВЕТЫ НЕРВА КРАБА
Отличие аксонов ракообразных от гигантских аксо-
нов Loligo состоит в том, что под действием по-
стоянного тока в них возникают длинные серии им-
пульсов очень низкой частоты (например, 5 имп[сек)
-------1 'Ш М И I —I-
-—---------------------
———---------———ц—
-------HMM---------1---
—-----1мЙ|ИМ -----
О I 2 3 сек
Фиг. 34. Повторные ответы в одиночном нервном волокне
Carcinus maenas [101].
Электрические изменения под катодом вызваны приложением постоянного
тока. Цифры показывают значение тока по отношению к реобазе. Начало и
конец приложенного тока видны благодаря слабому артефакту.
[10, 64]. Результаты, полученные на аксоне Carcinus
(фиг. 34), показывают, что увеличение тока в 4,5 раза
приводит к возрастанию частоты от 5 до 90 имп!сек.
Ответы такого типа интересны в том отношении, что,
возможно, они помогут понять возникновение серий
импульсов при деполяризации чувствительных окон-
чаний под действием света, тепла, механического или
химического раздражения. Возникновение таких се-
рий не следует из уравнений для проницаемости в
6 А. Ходжкин 01
форме, выведенной для аксона кальмара; однако
вполне вероятно, что сравнительно небольшие изме-
нения некоторых параметров могли бы дать модель,
подходящую и для аксонов ракообразных, а возможно,
и для некоторых чувствительных окончаний. Но без
дальнейших экспериментов польза таких расчетов
была бы весьма невелика, так как они не сделали бы
никакого вклада в значительно более фундаменталь-
ную проблему: каким образом раздражение вызывает
первоначальную деполяризацию нервного оконча-
ния L
ПРИРОДА ИЗМЕНЕНИЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ
Хотя о молекулярной организации мембраны из-
вестно мало, тем не менее существуют некоторые под-
ходы к выяснению механизма изменения ее проницае-
мости. Тот факт, что проницаемость зависит от мем-
бранного потенциала, позволяет предполагать, что эти
изменения возникают вследствие движения заряжен-
ных частиц или диполей. Такое движение могло бы
оказать прямое влияние на сопротивление мембраны
движению ионов или управлять химическими реак-
циями, с которыми связаны изменения проницаемо-
сти. Интересной особенностью системы, регулирую-
щей проницаемость, является очень большая «кру-
тизна» соотношения между проводимостью и мем-
бранным потенциалом: при изменении разности по-
тенциалов на мембране на 5 мв или даже меньше
натриевая проводимость увеличивается в е раз.
В процессах, в которых участвуют частицы, несу-
щие единичный заряд, равный заряду электрона, уве-
личение проницаемости в е раз должно было бы про-
исходить только на каждые 25 мв. Наличие у нервной
мембраны значительно более крутой характеристики
заставляет предположить, что проницаемость регули-
руют частицы, несущие много зарядов, или что не-
сколько частиц с единичным зарядом участвует в из-
менении проницаемости в каждом месте мембраны.
В Приложении приведены уравнения, которые Хаксли
1 О генераторных потенциалах в нервных окончаниях см,
[86, 87, 165].
и я использовали для описания изменений проницае-
мости. Эти уравнения выведены на основе компро-
миссной идеи о регуляции проницаемости нескольки-
ми частицами с одним зарядом -и одной частицей с
многими зарядами. Так, предположение, что калие-
вая проводимость пропорциональна п4, подразуме-
вает, что ворота для калия открываются только в
том случае, когда в определенном участке мембраны
находятся 4 частицы, а соотношение между п и мем-
бранным потенциалом приближенно соответствует
тому, что каждая из этих частиц двухвалентна.
Давно известно, что в среде с пониженной концен-
трацией кальция нервы спонтанно возбуждаются. Это
привело к предположению, что увеличение проницае-
мости для натрия в результате деполяризации проис-
ходит вследствие удаления ионов кальция со своих
мест или с носителей ионов в мембране [82]. Так, мож-
но было бы предположить, что Na+ проходит через спе-
циальные отверстия и что эти отверстия в мембране
не пропускают натрий, когда заняты кальцием, но от-
крываются сразу же после удаления ионов кальция.
Предположим, кроме того, что места, занятые каль-
цием, расположены вблизи внутренней стороны мем-
браны, доступны для наружного и не доступны для
внутриклеточного кальция. Тогда время, в течение
которого отверстия открыты для натрия, должно зна-
чительно увеличиваться как при уменьшении концен-
трации кальция в наружном растворе, так и при сни-
жении отрицательного потенциала внутри волокна.
Для объяснения большой «крутизны» соотношения
между мембранным потенциалом и натриевой прово-
димостью необходимо предположить, что в каждом
отверстии находится несколько ионов кальция и что
ворота для натрия открываются только тогда, когда
удалены все эти ионы. Теория, развитая Хаксли и
мной, приложима к данной модели, так как уравне-
ния, описывающие удаление положительно заряжен-
ной блокирующей частицы, имеют такой же вид, как
и уравнения для появления отрицательно заряженной
активирующей частицы. Однако, пытаясь проверить
эту модель экспериментально, Франкенхаузер и я
столкнулись с трудностью, которую было не легко
преодолеть [72]. Мы обнаружили, что повышение кон-
6*
83
центрации кальция в наружном растворе по своему
действию приблизительно эквивалентно увеличению
потенциала покоя. Этого можно было ожидать ис-
ходя из теории. Однако повышение концентрации
кальция в е раз должно было соответствовать изме-
нению потенциала по меньшей мере на 12,5 мв, тогда
как наши эксперименты дали величину 9 мв. Такое
расхождение можно объяснить, предположив, что
часть ионов кальция образует комплекс с каким-то
органическим анионом и что отверстия для натрия
«затыкаются» этими заряженными комплексами. Од-
нако при этом идея становится слишком спекуля-
тивной и не заслуживает теоретической разработки.
Влияние ионов кальция можно объяснить менее ис-
кусственным путем. Достаточно предположить, что
эти ионы адсорбируются на наружной поверхности
мембраны и изменяют электрическое поле внутри нее,
не влияя при этом на общую разность потенциалов
между наружным и внутренним растворами. Тогда
нельзя было бы считать, что адсорбированные ионы
кальция непосредственно участвуют в проведении им-
пульсов, хотя они и важны, поскольку их концентра-
ция влияет на проницаемость и возбудимость мем-
браны.
В настоящее время существует много доказа-
тельств того, что в передаче импульсов через некото-
рые синапсы и другие межклеточные соединения, на-
пример в симпатических ганглиях, в окончаниях па-
расимпатических нервов или через нервно-мышечное
соединение между двигательным нервом и попереч-
нополосатой мышцей, участвует ацетилхолин. В дру-
гих соединениях медиатором служат другие веще-
ства, такие, как адреналин или норадреналин. Пере-
дача импульсов через нервно-мышечное соединение
осуществляется следующим образом: нервный им-
пульс достигает нервного окончания и освобождает
из него ацетилхолин, который диффундирует через
узкую щель и действует на мышечную мембрану, не-
избирательно увеличивая ее проницаемость для ка-
тионов. В результате мембрана мышечного волокна
деполяризуется и в ней возникает распространяю-
щийся потенциал действия. Потенциал концевой пла-
стинки имеет малую длительность вследствие дей-
84
ствия фермента холинэстеразы, который гидролизует
ацетилхолин. Эксперименты Катца и его сотрудников
показали, что между увеличением проницаемости под
действием ацетилхолина в концевой пластинке и из-
менениями проницаемости в других частях нервной
или мышечной мембраны существует два важных раз-
личия. Во-первых, постсинаптическая мембрана ста-
новится одинаково проницаемой для натрия и калия.
Поэтому потенциал концевой пластинки не превы-
шает потенциала покоя. Во-вторых, увеличение про-
ницаемости под действием ацетилхолина не зависит
от мембранного потенциала, а следовательно, мем-
брана концевой пластинки не обладает регенератив-
ными свойствами, характерными для электрически
возбудимых мембран [49, 89].
Ацетилхолин и ферменты, участвующие в его гид-
ролизе и синтезе, найдены в различных количествах
во многих тканях, и Нахманзон [167] развил единую
теорию, согласно которой изменения проницаемости
мембраны в нерве и мышце, так же как и в концевой
пластинке, связаны с освобождением ацетилхолина.
Нахманзон предполагает, что под влиянием деполя-
ризации ацетилхолин освобождается из соединения
с белком и свободный эфир реагирует с другим ре-
цепторным белком. Это в свою очередь приводит к
увеличению проницаемости для натрия. Ферментатив-
ный гидролиз ацетилхолина позволяет рецецторному
белку возвратиться в исходное состояние покоя. В ре-
зультате происходит реполяризация мембраны и инак-
тивация проницаемости для натрия. Одно из главных
доказательств этой теории заключается в том, что
нервные импульсы блокируются высокими концен-
трациями антихолинэстераз.
Поскольку мы не знаем, как происходят измене-
ния проницаемости мембраны, трудно быть уверен-
ным, что ацетилхолин не связан каким-то образом
С цепью явлений, лежащих в основе потенциала дей-
ствия. Однако имеющиеся данные в лучшем случае
могут лишь навести на мысль о наличии такой связи.
По-моему, эта теория не выдерживает критики, дан-
ной Катцем и другими [49, 138]. Приведем всего лишь
один пример. Теория Нахманзона прямо предсказы-
вает, что антихолинэстеразы должны действовать на
85
нервы точно таким же образом, как и на концевые
пластинки, а именно значительно увеличивать период
повышенной проницаемости для натрия и замедлять
реполяризацию. Как вторичное* следствие может на*
ступить (или не наступить) блок. Антихолинэстеразы
влияют на нерв, по-видимому, совсем не так, посколь-
ку потенциалы действия частично блокированного,
нерва претерпевают изменения, которые обычно свя-
заны с неспецифическим слаботоксическим действием,
и продолжительность спайка увеличена не настолько,
как могла бы предсказать теория.
Вероятно, самое важное, что можно сделать сей-
час, размышляя о физической основе потенциала дей-
ствия, это выяснить, нет ли каких-либо необъяснимы^
фактов, которыми мы пренебрегли, пытаясь уложите
экспериментальные данные в стройную схему. Несо-
мненно у многих исследователей будут возникать раз-
личного рода трудности. Но, по-видимому, наиболее*
удивительные данные получили А. В. Хилл и его со-
трудники— Эбботт и Ховарт [1]. Много лет назад Хилл
показал, что количество первоначально выделяемого
тепла в нерве очень мало и что большая часть тепла
выделяется во время длительной фазы восстановлен
ния [94]. Исследуя вновь теплопродукцию нерва кра-
ба с помощью приборов с лучшим временным раз-1
решением, Хилл и его сотрудники обнаружили, что
начальная теплопродукция двухфазна и что за пер-
вой фазой выделения тепла следует фаза поглоще-
ния. Охлаждение по абсолютной величине было при-
мерно таким, какое следовало бы ожидать, если бы
емкость мембраны перезаряжалась за счет движения
ионов калия из волокна. Однако охлаждение проис-
ходит, по-видимому, позже, чем можно было бы ожи-
дать, если связывать его с движением ионов калия
наружу. Поэтому Хилл считает эту идею несостоя-
тельной. Такое же недоумение вызывает ситуация, об-,
наруженная в электрическом органе1. Здесь фазе
1 Здесь автор вкратце останавливается на одном из самыЯ
серьезных затруднений современной мембранной теории. Физичек
ский смысл «вызывающей недоумение ситуации» сводится к сле^
дующему: согласно мембранной теории Бернштейна—Ходжкин^;
генерирование нервного импульса происходит за счет использо^
вания свободной энергии градиента концентрации ионов натрия^
86
поглощения тепла наблюдается и в том случае, когда
разряд возникает в разомкнутом электрическом ор-
гане [12, 13]. Бернштейн предсказывал, что электри-
ческий орган должен охлаждаться при разряде на
внешнее сопротивление [21]. Однако охлаждение ра-
зомкнутого электрического органа было совершенно
неожиданным и до сих пор не получило удовлетвори-
тельного объяснения.
т. е. в конечном счете за счет энергии теплового движения
ионов. При этом, так же как, например, в случае адиабатиче-
ского расширения газа, система, которая совершает работу, дол-
жна остывать. Бернштейн полагал, что его опыты подтвердили
это основное положение. Экспериментируя с электрическим орга-
ном рыб, он обнаружил, что, когда ток, генерируемый этим орга-
ном, выделяет энергию во внешнем сопротивлении, сам элек-
трический орган остывает. Однако Эбботт и Хилл (см. Ab-
bott В. С., J. Gen. Physiol., 43, Suppl., 119, 1960) показали, что
во время генерирования импульса электрический орган не осты-
вает, а нагревается; фаза же охлаждения наступает после окон-
чания импульса, когда, исходя из мембранной теории, следовало
бы ожидать нагревания органа. — Прим. ред.
ГЛАВА VI
СВЯЗЬ ДВИЖЕНИЯ ИОНОВ С ОБМЕНОМ ВЕЩЕСТВ
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
ПРОЦЕССА ВОССТАНОВЛЕНИЯ
Изучение состава аксоплазмы непосредственно по-
сле прохождения серии импульсов показывает, что а
нервное волокно при возбуждении входит небольшое!
количество ионов натрия и одновременно теряется?
столько же ионов калия. В гигантских аксонах изме-
нения концентраций, вызванные одиночным импуль-.
сом, очень малы. Как показывает расчет, выходЗ
4 мкмкмоль К+ через 1 см2 мембраны аксона диамет^
ром 500 мк соответствует потере только одной мил*
лионной части калия аксоплазмы. Такое волокно!
могло бы провести большое число импульсов, возя
можно до5*105, не нуждаясь в перезарядке своий
батарей за счет обмена веществ. Если количество*
ионов, проходящих через единицу площади мем^
браны, одинаково в различных волокнах, то измене-j
ние концентрации в аксоплазме будет обратно про*;
порцнонально их диаметру. Тогда в 0,5-микронном]
волокне один импульс вызовет потерю одной тысяч-
ной, а не одной миллионной внутриклеточного калия»
Этот расчет может объяснить, почему тонкие волокна
утомляются быстрее, чем толстые. Однако не только
тонкие, но и толстые нервные волокна не имели бь^
для животного никакой цены, если бы не обладал^
способностью использовать энергию обмена вещестй
для перекачивания ионов натрия и калия против койН
центрациоиных градиентов. Необходимость такой си/
стемы предвидел еще в 1902 г. Овертон [171], кото*
рый ука-зывал, что сердечная мышца человека
88
70 лет производит приблизительно 2,4 • 109 сокраще-
ний и, насколько ему известно, содержит в старче-
ском возрасте столь же много калия и столь же мало
натрия, как и в ранней юности. Сорок лет спустя эту
идею развил Дин [48], который показал теоретически,
что наблюдаемое распределение ионов калия и хло-
ра между волокнами и межклеточной жидкостью в
мышце могло бы возникать пассивно вследствие ак-
тивного откачивания натрия из волокон, но что од-
ного активного переноса только самих ионов калия
или хлора для этого уже недостаточно. Действитель-
но, натриевый насос, откачивающий натрий наружу,
делал бы внутреннюю часть клетки электрически от-
рицательной по отношению к наружному раствору,
так что ионы калия втягивались бы внутрь, а ионы
хлора выталкивались наружу. В то же время калие-
вый насос, накачивающий калий внутрь, делал бы
внутреннюю часть клетки электрически положитель-
ной, что приводило бы к притоку ионов хлора. Хлор-
ный насос, выкачивающий ионы хлора наружу, так-
же делал бы внутреннюю часть волокна положитель-
ной и препятствовал бы поступлению ионов калия
внутрь клетки. Только первый из этих трех возмож-
ных вариантов насосов согласуется с электрически-
ми и химическими данными. Ясно, что метаболизм
мог бы в большей или меньшей степени влиять на
перенос ионов всех трех типов, но в движении натрия
он должен обязательно принимать участие. Это не-
посредственно следует из того факта, что потенциал
покоя в мышце и нерве крайне близок к равновес-
ному потенциалу для ионов калия или хлора, но от-
личается от равновесного потенциала для ионов нат-
рия на 120—150 мв, В эритроцитах человека наблю-
дается другая ситуация. Внутриклеточная концентра-
ция хлора у них высока, и есть четкие данные, что на-
ряду с активным выходом натрия происходит активное
поглощение калия. Ниже будут рассмотрены некото-
рые следствия для системы, в которой существует
полная или частичная связь между поглощением ка-
Дпя и выходом натрия.
С тех пор как была опубликована работа Дина,
накопилось большое количество данных, что нервные
89
и мышечные волокна, подобно многим другим
клеткам, обладают секреторным механизмом, ко-,
торый использует энергию обмена вещества для
откачивания ионов натрия и поглощения ионов ка-
лия [208]. В скелетной мышце [73] и в эритроцитах
млекопитающих [161] этот механизм может работать
за счет гликолиза, а в эритроцитах птиц [162] и,
вероятно, в нерве он зависит от окислительного обмена
[40, 190].
Процесс восстановления протекает относительно
медленно, и в толстых волокнах, для того чтобы лик*
видировать последствия вспышки нервной активна*
сти, может потребоваться несколько часов. В живом
организме нервы, вероятно, находятся в стационар-
ном состоянии и импульсное поступление натрия, свя*
занное с проведением сигналов, уравновешивается
непрерывной работой системы, удаляющей натрий.
Повышение обмена после активности может быть
обусловлено либо усилением нормальных биохими-
ческих реакций, либо возникновением новых реакций,
вызванных изменением мембранного потенциала или
концентраций ионов после прохождения импульсов.,
Однако следует хорошо помнить высказывание
А. В. Хилла [94]: «Нерв в состоянии покоя при 20^
освобождает благодаря окислению примерно 6,4*
•10'5 кал1г*сек [18], а при непрерывном раздраже*
нии с максимальной частотой теплопродукция нерва
увеличивается примерно в два раза [95]. Таким обра-
зом, ничего не делая, а просто находясь в состояния
готовности к ответу, нерв потребляет около половины
той энергии, которую он использует при максималь-
ном ответе». Это еще более ярко выражено в гигант-^
ском аксоне кальмара, для которого Коннелли и
Крейнфилд [41] нашли, что непрерывное раздражение
с частотой 200 имп]сек увеличивало поглощение ки-
слорода только на 10% (в состоянии покоя оно рав-
но 70 мм3/г • час). Такое слабое влияние раздраже-
ния, по-видимому, связано с большим диаметром?
волокна, а не с типом животного. Те же авторы об-,
наружили, что в тонких волокнах Loligo^ которые^
утомляются значительно быстрее по сравнению с ги*
гантским аксоном, поглощение кислорода увеличивав
90
лось на 50% при раздражении с частотой 2—
5 имп/сек.
Легко понять, почему в гигантском аксоне восста-
новительный метаболизм может быть не так четко
выражен. Как указывал Хилл в цитированной выше
книге, клетки должны непрерывно расходовать энер-
гию для того, чтобы поддерживать разность кон-
центраций ионов, которая уменьшилась бы из-за не-
желательной утечки. В частности, ионы натрия дол-
жны все время поступать в волокно, хотя, возможно,
и с очень низкой скоростью, и для того, чтобы вну-
тренняя концентрация натрия оставалась на низком
уровне, клетка вынуждена непрерывно расходовать
энергию. Утечка ионов в изолированных аксонах по
сравнению с интактными, быть может, и ненормально
велика.
Однако маловероятно, чтобы поток ионов натрия
внутрь аксона in vivo был меньше 1/10 потока, изме-
ренного in vitro с помощью изотопов (поток in
vitro равен 60 мкмкмоль/см? • сек) [190]. Чтобы
сравнить эту величину с потоком ионов при есте-
ственном проведении импульсов, напомним, что при
плавании с небольшой скоростью кальмар исполь-
зует волнообразные движения плавников и что при
этом система гигантских аксойов не работает; дыха-
тельные движения, которые обеспечиваются радиаль-
ными мышечными волокнами, также не связаны с
активностью этих аксонов [215]. Только реактивное
движение, используемое время от времени как сред-
ство для спасения бегством или для захвата добычи,
требует участия гигантских аксонов. Согласно дан;
ным Тиса [206], обычный сигнал, идущий к мышцам
мантии, из которой выбрасывается струя воды, со-
стоит из группы в 1—8 импульсов в каждом аксоне.
Поскольку порции воды выбрасываются с частотой
1 раз в 1 сек или реже и реактивное движение ис-
пользуется лишь в крайних случаях, маловероятно,
чтобы у животного средняя частота нервных импуль-
сов в гигантских аксонах превышала несколько им-
пульсов в 1 мин, а это составляет только одну
Десятитысячную от максимальной частоты, которую во-
локно способно передавать за короткий период. При
Частоте 3 имп/мин и температуре 18° поток натрия
М
внутрь волокна1 равен 0,2 мкмкмоль!см2 • сек\ по^
скольку это составляет лишь 1/300 от потока натрид
в покое, понятно, почему в процессе эволюции не воз-
никло необходимости развития в гигантских аксонах
кальмара специального восстановительного механиз-
ма. В других нервах картина может быть совсем
иной: например, данные Бринка и др. [24] дают осно-
вание полагать, что в нерве лягушки существует осо*
бая система для восстановления исходного распреде^
ления ионов после прохождения импульсов.
ДЕЙСТВИЕ ИНГИБИТОРОВ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ
НА ДВИЖЕНИЕ ИОНОВ
Хотя в гигантских аксонах и нет четкого различия
между процессами восстановления и поддержания
постоянства ионного состава, этот объект обладав!
рядом преимуществ при изучении связи между обмё*
ном веществ и движением ионов «в гору» (протий
электрохимического градиента). На фиг. 35 приведи
ны результаты очень простого эксперимента, постав**
ленного на толстом волокне каракатицы. Волокись
сначала «нагружали» изотопом натрия Na24 путей
раздражения в радиоактивном растворе. (В аналогий
ных экспериментах с гигантскими аксонами кальмар
ров радиоактивные растворы, содержащие Na22, те^
перь обычно инъецируются в аксоплазму.) Затем вш
локно отмывали солевым раствором, содержащим нез
активный натрий, и для измерения активности червя
определенные промежутки времени собирали пробЙ^
жидкости, которая омывала волокно. Скорость, с ксЙ
торой ионы меченого натрия выходили из волокна^
экспоненциально понижалась, так как происходила
их постепенное разбавление в аксоплазме. Этом^г
экспоненциальному понижению на фиг. 35 соотве*Й
ствует прямая линия, так как скорость счета отложен
на по оси ординат в логарифмическом масштабе. ГкЯ
1 Здесь указана средняя величина потока натрия: за ипйя
пульс входит 4 мкмкмоль/см2-, в минуту — 3 импульса, следов»
тельно, 12 мкмкмоль/см2 • мин, или 0,2 мкмкмоль/см2 • сек.
Прим. ред.
92
лучив достаточное число проб для измерения нор-
мального выхода Na24, морскую воду, в которой
находилось волокно, заменяли таким же солевым
раствором, содержащим 0,2 мМ динитрофенол. После
начальной задержки, равной примерно 10 мин, вы-
ход натрия быстро уменьшался и через час падал
приблизительно до 1/20 первоначальной величины.
В начале и в конце эксперимента аксон находился в искусственной морской
воде. По оси абсцисс отложено время после окончания раздражения нерва
в морской воде, содержавшей Na2*. Вертикальные линии показывают удвоен-
ную стандартную ошиоку. Температура 18°.
Этот эффект при отмывании ингибитора был доста-
точно хорошо обратим, на что указывает восстанов-
ление потока Na24 в конце эксперимента. Как извест-
но, динитрофенол подавляет секреторное выделение
веществ в тканях, где их перенос зависит от окисли-
тельного обмена. Говорят, что динитрофенол разоб-
щает окислительное фосфорилирование, а это озна-
чает, что, в то время как дыхание продолжается, и
Даже иногда с увеличенной скоростью, образования
АТФ из неорганического фосфата и АДФ не проис-
ходит. Цианид и азид, которые также подавляют
93
окислительный обмен, оказывают на выход натрия
такое же влияние, как и динитрофенол. Замечатель-
ная особенность действия этих ядов состоит в том,
что, когда система насосов уже подавлена, волокно
Фиг. 36. Влияние 0,2 мМ раствора динитрофенола (ДНФ) на
поступление натрия в аксон кальмара при раздражении [119].
Наружный Na34 отмывали протоком морской воды. Температура 17°.
еще способно провести большое число импульсов,
причем ни потенциал действия, ни потенциал покоя
существенно не изменяются. После обработки нерва
динитрофенолом ионы натрия во время активности
еще продолжают входить в волокно, но они остаются
внутри и не удаляются, пока не отмыт динитрофе-
нол (фиг. 36).
94
Трудно допустить, что Цианид или динитрофенол
подавляют все реакции, поставляющие энергию; тем
не менее экспериментами Колдуэлла [28] совершенно
ясно установлено, что гигантские нервные волокна,
в которых разрушено по крайней мере 95% таких
макроэргических фосфатов, как аргининфосфат и
АТФ, еще способны проводить потенциалы действия
почти нормальной величины.Объяснение этих резуль-
татов, очевидно, состоит в том, что в толстом волокне
разность концентраций ионов вследствие утечки из-
меняется очень медленно и что непосредственным
источником энергии для распространяющихся потен-
циалов действия служит движение ионов натрия и
калия (в направлении их концентрационного гра-
диента). Это хорошо согласуется с данными опытов
по перфузии, которые описаны в гл. III; опыты по-
казывают, что мембраны, заполненные изотонически-
ми растворами калия, продолжают проводить им-
пульсы, даже если удалена почти вся протоплазма.
На основании эскпериментов такого рода можно
сделать вывод, что в мембране существуют две систе-
мы: одна связана с обменом веществ и ответственна
за поддержание разности концентраций по обе сто-
роны мембраны, другая, относительно независимая
от обмена веществ, регулирует движение ионов на-
трия и калия-* в направлении их концентрационных
градиентов во время генерирования потенциала дей-
ствия (фиг. 37). Эти две системы обладают совер-
шенно разными свойствами, и их можно различить
несколькими способами. Так, сердечный гликозид
строфантин G, который, как полагают, подавляет пе-
рекачивание ионов, соединяясь в мембране с фермен-
том, расщепляющим АТФ, не влияет на потенциал
действия [31, 182, 192]. А изменение концентрации
Двухвалентных ионов в наружном растворе, которое
вызывает существенное изменение возбудимости,
оказывает, как известно, относительно мало влияния
па насосы. Рассматриваемые системы отличаются
Друг от друга также своей избирательностью к ио-*
вам. Например, литий, которым можно заменить нат-
рий в механизме генерирования потенциала действия,
совсем не откачивается натриевым насосом, связан-
ным с обменом веществ [148]. Другое важное различие
95
этих двух систем заключается в том, что макси-
мальная скорость, с которой секреторная система
способна перемещать ионы, равна примерно
50 мкмкмоль/см2 • сек, тогда как при генерировании
потенциала действия скорость движения ионов до-
стигает 10 000 мкмкмоль/см2 • сек.
Возможно, что в других тканях зависимость по-
тенциала действия от обмена веществ более прямая,
нежели в гигантском волокне кальмара. Так, Шепфле
Ф и г. 37. Схема движения ионов через мембрану нервного
волокна [119].
Справа показано движение ионов в направлении концентрационных градиен-
тов, происходящее во время импульса, а слева — движение против концентра-
ционных градиентов во время фазы восстановления. Пунктирной линией обо-
значена та часть оттока натрия, которая не исчезает при удалении из на-
ружного раствора ионов калия.
и Блум [185] нашли, что цианид уменьшает потен-
циал действия миелинизированных аксонов, если они
не были гиперполяризованы. По-видимому, в мышце,
существует более тесная связь между обменом ве-
ществ и электрическими явлениями; об этом свиде-
тельствует та легкость, с которой потенциал действия
исчезает при утомлении. Однако, если бы даже мета-
болизм непосредственно и участвовал в поддержании
активности мембраны или в изменении проницаемо-
сти, это не противоречило бы представлению, согла-
сно которому ионы откачиваются не по тому пути, по
которому они движутся во время потенциала дей-
ствия.
96
ВЛИЯНИЕ НАРУЖНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ИОНОВ
КАЛИЯ
Изучая механизм откачивания ионов натрия из
волокна, мы должны также рассмотреть вопрос о
том, не принимает ли участия метаболизм и в погло-
щении ионов калия. Раньше полагали, что поступле-
ние ионов калия в мышцу или нерв происходит пас-
сивно, под влиянием электрического поля, которое
возникает вследствие выхода ионов натрия. В настоя-
щее время, однако, имеются данные, в частности по-
лученные на гигантских нервных волокнах [119], что
накопление калия в волокне может быть связано с
обменом веществ и сопряжено с выходом натрия. Во-
первых, обнаружено, что те вещества, которые умень-
шают выход ионов натрия из волокна, оказывают
соответствующий эффект и на поглощение ионов ка-
лия. Это подавление происходит без заметных изме-
нений мембранного потенциала, так что оно не
является простым электрическим следствием умень-
шения переноса натрия. Во-вторых, удаление из на-
ружного раствора ионов калия приводит к умень-
шению (быстро наступающему и обратимому) выхо-
да ионов натрия примерно до 1/3 первоначального
уровня. Это явление было весьма неожиданным.
Действительно, ионы натрия выходят из волокна, в
котором калий всегда присутствует в высокой кон-
центрации, и поэтому трудно представить, что уда-
ление из морской воды сравнительно малого количе-
ства калия может иметь какое-либо непосредственное
влияние на ферменты внутри мембраны. По-види-
мому, этот эффект не электрической природы, так
как увеличение мембранного потенциала до уровня,
намного превышающего величину, которая дости-
гается в результате удаления из раствора ионов ка-
лия, мало влияет на скорость откачивания ионов
натрия [118].
Существует одна весьма привлекательная гипоте-
за, согласно которой активное удаление натрия из
волокна циклически связано с поглощением калия
(см. фиг. 37). Предположим, что ионы калия дви-
гаются в клетку, объединяясь с переносчиком. Далее
представим, что внутри клетки в ходе метаболизма
7 А. Ходжкин
97
переносчик калия превращается в другое соединение,
которое обладает уже сродством к натрию, а не
калию. Натрий со своим переносчиком двигается на^
ружу, и когда переносчик натрия возвращается
обратно или с помощью обмена веществ превра?
щается в переносчик калия, цикл завершается1. Ра^
бота такой системы может быть прервана как вслед^
ствие удаления ионов калия из наружного раствора
так и при нарушении обмена веществ. Связь работу
натриевого насоса с притоком в волокно ионов ка-
лия не может быть очень тесной и обязательной, тай
как ионы натрия продолжают выбрасываться и|
клетки, хотя и с меньшей скоростью, даже после пол*
ного удаления из наружной среды ионов калия. Су*
ществуют данные о том, что обмен натрия на калий
происходит не в отношении 1:1, а на каждый постук
пивший в клетку ион калия из нее удаляется 2—$
иона натрия [29].
МАКРОЭРГИЧЕСКИЕ ФОСФАТЫ
Хотя о химии мембраны нервного волокна изве?
стно довольно мало, все-таки оказалось возможный
выяснить кое-что о связи секреторной системы с прой
цессами дыхания и гликолиза. Прежде чем рассмат*
ривать последние эксперименты, я должен рассказ
зать о важной биохимической теории, разработанной
в 1941 г. Липманом [155]. Главная функция обмен^
веществ заключается в том, что он обеспечиваем
энергией не только синтез новых веществ, но такж0
и выполнение механической работы и движение во*
ществ против их концентрационных градиентов. П$
теории Липмана, эта энергия запасается путем сии?
теза определенных ключевых веществ, содержащий
лабильную фосфатную группу. Наиболее важный ИЗ
этих соединений — аденозинтрифосфат (АТФ); одна*
ко не только аденозин, но и другие нуклеотиды мо**
гут принимать участие в образовании макроэргичйЙ
ских фосфатов. Предполагают, что такие вещества*
как фосфаген и фосфоэнолпировиноградная кислот^
1 Подробности этой схемы приведены в работе Глинна [81].
98
которые также имеют лабильную макроэргическую
фосфатную группу, участвуют в регенерации адено-
зинтрифосфата из аденозиндифосфата.
Накоплено много данных о том, что АТФ часто
используется для запускания одной биохимической
реакции за счет другой; однако у нас нет такой же
твердой уверенности в том, что в живых клетках
АТФ играет важную роль в связывании химических
и физических процессов. Окончательно еще не выяс-
нено, служит ли гидролиз АТФ непосредственным
источником энергии для сокращения мышц, и среди
специалистов не прекращается спор по этому поводу.
Существует и другая более общая проблема. При
расщеплении 1 моль АТФ выделяется около 9000 кал
[26]; во многих случаях такие порции энергии оказы-
ваются неоправданно большими. Поэтому маловеро-
ятно, что в качестве источника энергии используется
лишь одно вещество. Работа живой клетки исключи-
тельно на АТФ напоминала бы попытку вести не-
большое хозяйство, применяя банкноты достоинством
только в один фунт стерлингов. Точнее, если бы гид-
ролиз одной молекулы АТФ обеспечивал перенос че-
рез мембрану одного иона, то за счет энергии этой
реакции ион мог бы переместиться против разности
электрохимического градиента приблизительно в
400 мв'. Такая порция энергии имеет подходящую
величину для насосов в мембранах клеток желудка,
где водородные ионы переносятся против примерно
такой разности электрохимического потенциала, но
эта энергия слишком велика для переноса в нерве,
где должен обеспечиваться обмен натрий и калия
против разности электрохимического потенциала
всего 120 мв. Система, переносящая 2—3 иона натрия
за счет распада одной молекулы АТФ, была бы
достаточно эффективной. Действительно, имеются
данные, что в коже лягушки, где разность электро-
химического потенциала такая же, как и в нерве, на-
блюдается аналогичное соотношение между числом пе-
ренесенных ионов и числом распавшихся молекул АТФ
1 Это число верно при условии, что концентрации всех ре-
агирующих веществ равны 1 М\ для концентраций, наблюдаю-
щихся в живых клетках, более подходит величина 500—600 мв.
7*
99
[151, 216]. Однако имеются и другие случаи, когда,
по-видимому, нужен какой-то механизм, преобразую-
щий энергию химических реакций до еще более низ-
ких уровней. Так, экскреторные или секреторные
органы часто переносят соли против небольшой раз-
ности концентраций, и, чтобы это происходило эф-
фективно, гидролиз одной молекулы АТФ должен
обеспечивать перенос большого числа ионов. Об этом
аспекте клеточной экономии вообще мало что из-
вестно, и было бы неудивительно, если бы, кроме
АТФ, оказались важными и другие соединения. Од-
нако, несмотря на все высказанные сомнения, экспе-
рименты, проведенные нами на гигантских аксонах,
хорошо согласуются с теорией Липмана.
Первый этап исследований провел несколько лет
назад Колдуэлл [27, 28]. Необходимо было изучить
влияние ингибиторов обмена на фосфатные соедине-
ния в гигантских аксонах Loligo. В аксоплазме со-
держатся три основные формы фосфатов — неоргани-
ческий фосфат, АТФ и фосфаген. У кальмара, кото-
рый относится к моллюскам, фосфагеном служит
аргининфосфат, а не креатинфосфат, как у позвоноч-
ных. Если цианид или динитрофенол применяют в
концентрациях, которые подавляют выход натрия,
аргининфосфат расщепляется на аргинин и неоргани-
ческий фосфат, а АТФ распадается до адениловой
кислоты (АМФ) и неорганического фосфата. После
отмывки цианида АТФ и фосфаген ресинтезируются.
При отравлении цианидом первым распадается арги-
нинфосфат, и до тех пор, пока его гидролиз не будет
закончен почти полностью, концентрация АТФ изме-
няется мало. Выход натрия с течением времени сни-
жается параллельно уменьшению концентрации АТФ
в аксоне, но, как будет показано ниже, имеются дан-
ные, что система переноса ионов работает нормаль-
но только в присутствии и АТФ, и фосфагена.
ВВЕДЕНИЕ В ВОЛОКНО МАКРОЭРГИЧЕСКИХ
ФОСФАТОВ
Данные экспериментов Колдуэлла хорошо согла-
суются с представлением о том, что такие фосфорсо-
держащие соединения, как АТФ или фосфаген, по*
100
ставляют энергию для работы натриевого насоса L
В принципе это представление можно легко прове-
рить. Необходимо лишь с помощью цианида ликви-
дировать в аксоне запасы макроэргических фосфа-
тов, а затем ввести в волокно АТФ или фосфаген.
Если эти вещества действительно обеспечивают ра-
боту насоса, то выход натрия начнет сразу увеличи-
ваться. Опыты Колдуэлла и Кейнеса [30] показали,
что оба эти соединения эффективны; в последующей
работе [29] было найдено, что в большей или мень-
шей степени аналогичным действием обладают и
другие соединения, содержащие макроэргические
фосфатные связи (~Р). Вещества, не имеющие та-
ких связей, не оказывали никакого влияния на на-
триевый насос, было исследовано семь соединений,
содержащих макроэргические фосфатные связи, а
именно: аргининфосфат, фосфопировиноградная ки-
слота, АТФ, АДФ, гуанозинтрифосфат, инозинтрифос-
фат и креатинфосфат. Инозинтрифосфат оказывал
очень слабое влияние, а гуанозинтрифосфат — более
сильное. В противоположность аргининфосфату кре-
атинфосфат (фосфаген позвоночных) вообще не да-
вал никакого эффекта. Это и понятно, так как Эннор
и сотрудники показали, что на креатинфосфат не
действует фермент аргининфосфокиназа [56].
Все соединения, увеличивающие выход ионов на-
трия, способны регенерировать АТФ с помощью сле-
дующих реакций:
I АДФ -|- Аргининфосфат = АТФ -|- Аргинин
(Аргининфосфокиназа)
II АДФ -|- Фосфопировиноградная кислота=
= АТФ -|- Пировиноградная кислота
(Пируватфосфокиназа)
III2АДФ = АТФ 4- АМФ (Аденилаткиназа)
Предполагается, что аксоплазма содержит эти не-
обходимые ферменты и что после отравления циани-
дом в ней остается небольшое количество АДФ. АТФ
образуется из АДФ в результате реакций I или II,
а АМФ превращается в АДФ по реакции III. Как и
1 Получены аналогичные данные для нервоз мдекрпитзющих
[ЭД] и для эритроцитов [68, 125, 212].
101
в мышце, окончательный эффект состоит в превраще-
нии АМФ в АТФ. Наличие таких реакций доказано
химическими опытами, в которых установлено, что в
течение 5 мин после введения аргининфосфата или
фосфопировиноградной кислоты в отравленные циа-
нидом аксоны происходит полное превращение АМФ
в АТФ.
На фиг. 38 показано влияние двух фосфагенов.
Видно угнетающее действие цианида на выход ионов
Фиг. 38. Влияние последовательного введения креатинфосфата
и аргининфосфата на выход натрия из аксона, отравленного
цианидом [29].
Средняя концентрация креатинфоссЬата сразу же после введения была равна.
15,3 мМ, а средняя концентрация аргининфосфата —15,8 мМ.
натрия, отсутствие действия креатинфосфата и силь-
ное увеличение выхода, вызванное аргининфосфатом.
АТФ, предварительно гидролизованный до АМФ
и неорганического фосфата, не оказывал никакого
влияния на выход натрия. Точно так же никакого
влияния не оказывал и аргининфосфат после рас-
щепления на аргинин и неорганический фосфат. Ин*
тересно, что ни аргининфосфат, ни АТФ не были
эффективны, когда их добавляли к наружному рас*
твору.
Действие введенных фосфатов было преходящим,
что и следовало бы ожидать, если бы они использо^
вались механизмом переноса ионов или в побочны#
реакциях. При введении их в количестве, эквивалент*
ном половине содержания всех макроэргических фос-fc
102
фатов в неотравленном аксоне, действие продолжается
приблизительно 30 мин; если это количество увели-
чить в 50 раз, выход натрия остается на высоком
уровне в течение нескольких часов. Максимальный
выход натрия растет с увеличением количества вве-
денного вещества нелинейно и достигает насыщения.
При введении аргининфосфата уровень насыщения
Лоля Na л. теряемая за / мин
ЛТФ АТФ
Фиг. 39. Влияние введения АТФ на выход натрия из аксона,
отравленного цианидом [29].
После первого введения концентрация АТФ в аксоне повысилась до 1,2 м№,
а после второго — до 6,2 мМ.
приближается к величине, характерной для нормаль-
ного волокна. В некоторых условиях высокая кон-
центрация АТФ вызывает угнетение насоса;
На фиг. 39 показано влияние введения двух раз-
личных порций АТФ. Как можно видеть, количество
Удаляемых из волокна ионов натрия почти пропор-
ционально количеству введенного АТФ. Данные по-
добного рода позволили рассчитать, сколько ионов
натрия теряется волокном на одну молекулу введен-
ного макроэргического фосфата. При введении арги-
нпнфосфата и АТФ эта величина равна 0,7. По-
скольку такие соединения могут расщепляться в
аксоплазме еще до того, как они достигнут мембраны,
насос, по-видимому, использует энергию фосфатных
связей с эффективностью более 0,7. Лиф и Ренщоу
юз
[151] рассчитали, что для кожи лягушки отношение*
Na/~P равно 2—3; возможно, что подобное же со-
отношение справедливо и для нерва.
Выше в данной главе мы рассматривали экспе-
рименты, которые указывают на существование связ»
между поглощением калия и удалением натрия. Дей-
ствительно, удаление калия из наружного раствора
уменьшает выход натрия до 1/3 исходной величины^
Фиг. 40. Влияние введения аргининфосфата на восстановление*
выхода натрия, чувствительного к калию, в отравленном циа-
нидом аксоне [29].
ф—наружный раствор не содержит калия; Q—наружный раствор содержит,
10 мМ К. После введения концентрация аргининфосфата в аксоне повышалась;
до 33 мМ.
Для объяснения этого было выдвинуто предположен
ние, что метаболизм обеспечивает работу цикла, при-,
чем ионы калия поглощаются в одной части цикла,,
а ионы натрия выбрасываются другой его частью^
Однако независимо от способа трактовки было важ<
но установить, восстанавливает ли инъекция разных*
веществ нормальную связь между движением ионов^
натрия и калия. Для выяснения этого исследовал^
влияние удаления наружного калия на выход натрия^
после инъекции. Полученный результат на первый
взгляд кажется довольно странным: высокие концен-^
трации аргининфосфата и фосфопировиноградной ки-*
слоты восстанавливали чувствительность к калию, нд*
ни одно из других соединений, в том числе и АТФ,
не обладало таким действием.
104
Влияние аргининфосфата показано на фиг. 40.
После введения большого количества этого вещества
в отравленное волокно выход натрия быстро возра-
стал до уровня насыщения и оставался на этом уров-
не в течение 2 час. Сначала сопряженное движение
ионов было ярко выражено, так как выход натрия
прерывался при удалении ионов калия из наружного
раствора. Однако чувствительность к калию доволь-
но быстро уменьшалась и в конце плато исчезала со-
всем. Это уменьшение чувствительности может быть
поля Na22. теряемая иа Iмин
2мМ CN
Фиг. 41. Отсутствие влияния АТФ на выход натрия, чувстви-
тельный к калию, в отравленном цианидом аксоне [29].
S—наружный раствор не содержит калия; Q —наружный раствор содержит
Ю.иМК. После введения концентрация АТФ в аксоне повышалась до 4,8 мМ.
связано или с потерей аргининфосфата, или с повы-
шением концентрации свободного аргинина, а скорее
всего с обеими этими причинами.
В аналогичном эксперименте с АТФ не происхо-
дило никакого восстановления чувствительности к
калию (фиг. 41).
В качестве естественного дополнения к этим ре-
зультатам было найдено, что при введении аргинин-
фосфата в отравленные цианидом аксоны поток
ионов калия внутрь волокна, который был уменьшен
Цианидом, увеличивается примерно до первоначаль-
ного уровня. АТФ или не оказывал никакого влия-
ния, или вызывал лишь небольшое увеличение погло-
щения калия.
Для объяснения более высокой эффективности
аргининфосфата можно было бы предположить, что
ок непосредственно участвует в передаче фосфатов
105
мембране. Хотя такую возможность нельзя пол-
ностью исключить, она противоречит обычному пред-
ставлению, согласно которому фосфаген лишь вос-
станавливает АТФ из АДФ. Мы можем согласовать
результаты наших опытов с общепринятой точкой
зрения, допустив, что для работы насоса требуется не
просто присутствие АТФ, но и низкая концентрация
АДФ Ч Другое предположение заключается в том,
что для образования некоторых промежуточных про-
дуктов, которые дают больше свободной энергии, чем
АТФ, потенциал фосфорилирования, пропорциональ-
ныи 1°ё~[ддф] » должен быть достаточно высоким.
Пусть Z — такой промежуточный продукт или, воз-
можно, переносчик ионов и пусть разрыв связи
Z~P дает больше энергии, чем отщепление конечной
фосфатной группы от АТФ. Тогда отношение
должно быть высоким, чтобы реакция АТФ + ^ =
= АДФ + г~Р сместилась вправо, т. е. в сторону
большего образования Z~P. С этой точки зрения
аргининфосфат или фосфопировиноградная кислота
осуществляют регенерацию АТФ, причем их действие
очень эффективно, так как они одновременно поддер-
живают концентрацию АДФ на низком уровне по-
средством следующих реакций:
Аргининфосфат -f- АДФ = Аргинин + АТФ
Фосфопировиноградная кислота + АДФ = Пировиноградная ки-
слота -|- АТФ
Результаты, полученные при введении АДФ или арги-
нина в неотравленные аксоны, согласуются с этим
представлением, так как под влиянием обоих этих
веществ выход натрия становится нечувствительным
к удалению из раствора ионов калия.
Обычно считают, что функция фосфагенов заклю-
чается в создании запасов макроэргических фосфа-
тов, способных быстро ресинтезировать АТФ из АДФ.
Они присутствуют в высокой концентрации в скелет-
ных мышцах, и есть много причин считать, что здесь
они служат запасным источником энергии. Но в нер-
1 Эта гипотеза принадлежит д-ру П. Колдуэллу,
106
ве, где разность концентрации ионов создает большой
запас электрической энергии, потребность в фосфа-
гене менее очевидна, и это, естественно, порождает
всевозможные предположения о его назначении. Экс-
перименты с инъекцией позволяют предполагать, что
фосфаген может служить и переносчиком макроэрги-
ческого фосфата и буфером, который поддерживает
концентрацию АДФ вблизи мембраны на низком
уровне. В связи с этим необходимо вспомнить, что
константа равновесия реакции между креатинфос-
фатом и АДФ такова, что, когда креатинфосфат и
креатин присутствуют в равных концентрациях, отно-
шение концентраций АТФ и АДФ равно примерно 20
[33]. Если принять такое же отношение для аргинин-
фосфата, то диффузионный градиент аргинина между
мембраной и митохондриями, вероятно, значительно
превышает диффузионный градиент АДФ, так что в
переносе макроэргического фосфата через прото-
плазму фосфаген должен играть более важную роль,
чем АТФ. Однако такая гипотеза никоим образом не
согласуется с общепринятой точкой зрения, что имен-
но АТФ непосредственно связывает митохондрию с
тем местом, в котором существует потребность в
энергии.
Имеется целый ряд данных, подтверждающих
представление о тесной связи распада АТФ с перено-
сом ионов. Эти данные получены при исследовании
ферментов, катализирующих гидролиз АТФ. Так,
Скоу [192] показал, что специальные препараты, по-
лученные из нерва краба, содержат АТФ-азу, кото-
рая активируется как Na, так и К и подавляется
оубаином; последнее соединение, как известно, угне-
тает перенос ионов. Фермент с подобными свойства-
ми, по-видимому, прочно связан с мембраной эритро-
цитов; этот фермент изучали в препаратах «теней»
эритроцитов Пост и др. [174], а также Дунхэм и
Глинн [55]. На основании этих, а также многих дру-
гих исследований, которые не упомянуты, можно сде-
лать вывод, что одной из важных ступеней в пере-
носе ионов служит фосфорилирование некоего веще-
ства, растворимого в липидах.
В настоящее время у нас нет ясного представле-
ния о природе переносчиков в мембране и нет также
107
реальных доказательств их существования. Однако и
в этом направлении начинают проводиться первые
эксперименты. В своей недавно опубликованной ра-
боте супруги Хокины [126] сообщают, что у морских
птиц в солевых железах при секреторной активности
скорость включения меченого фосфора Р32 в фосфа-
тидную кислоту увеличивается в 13 раз, а в фосфоино-
зит— в 7 раз. В то же время активация секреции
слабо влияет на обновление фосфора в других соеди-
нениях. На основании этих результатов авторы пред-
ложили схему, в которой переносчиком ионов натрия
служит фосфатидная кислота. Поскольку во время
активности солевой железы может происходить боль-
шое увеличение общего количества мембран — в ре-
зультате образования пузырьков, эндоплазмати-
ческого ретикулума, пролиферации поверхности
и т. д., — трудно быть уверенным в том, что этот эф-
фект специфически связан с переносом натрия, а не
с возросшим синтезом фосфолипидов. И все же опи-
санный эксперимент явно интересен тем, что он от-
крывает путь для новых исследований. Кроме того,
весьма ободряющим является тот факт, что после
многих лет спекуляций, в литературе, наконец, по-
явился определенный «кандидат в переносчики через
мембрану».
ПРИЛОЖЕНИЕ
УРАВНЕНИЯ ДЛЯ ОПИСАНИЯ ПОТЕНЦИАЛА
ДЕЙСТВИЯ
Физически мыслящий биолог захочет узнать не-
сколько больше о математической теории потенциала
действия. Ниже приведены основы теории, которую
Хаксли и я развили для аксона кальмара [113]. Дан-
ное приложение перепечатано с небольшими измене-
ниями из ранее опубликованной работы [104].
Изменение калиевой проводимости описано на ос-
нове предположения, что калий может проходить че-
рез мембрану лишь тогда, когда к определенному ее
участку под влиянием электрического поля подойдут
четыре заряженные частицы. Если п — вероятность
того, что одна частица находится в нужном месте, то
£к=£кя4, где gx — максимальная калиевая проводи-
мость. Величину п находят из уравнения
Йг = ал(1—«) — ₽/>«, О)
где ап и рп — константы скорости, которые при фик-
сированной температуре и постоянной концентрации
кальция зависят только от мембранного потенциала
V. Когда положительный потенциал внутри волокна
возрастает, ап увеличивается, а рп уменьшается.
Далее, предположено, что натриевый канал от-
крывается при совпадении во времени трех событий,
вероятность каждого из которых равна т, и, кроме
того, одно событие с вероятностью (1—А) блокирует
этот канал. Эти события в принципе не требуют фи-
зической интерпретации, но могут быть представле-
ны, например, движением трех активирующих частиц
109
и одной блокирующей в определенном участке мем-
браны. Вероятность того, что в этом участке нахо-
дятся три активирующие частицы и нет ни одной
блокирующей, равна m3h. Следовательно, gNa =
=£ка^3Л, где gNa — максимальная натриевая прово-
димость. Величины т и h определяются из уравне-
ний, аналогичных уравнению (1), т. е.
= ат (1 — (2)
**=аА(1-Л)-₽АЛ. (3)
В этих уравнениях am, an, Pm и ₽п зависят от темпе-
ратуры, концентрации кальция и мембранного потен-
циала. Когда внутренняя часть волокна становится
более положительной, ат и рл увеличиваются, а рт и
ад уменьшаются.
Уравнения (1), (2) и (3) сравнительно просто
применимы к данным по фиксации напряжения на
мембране. При фиксированном напряжении все а и
р постоянны, и уравнения (1), (2) и (3) дают экспо-»
ненциальные выражения для п, т и Л; из соотноше-
ний £к = £кЛ4 И gNa = ^Na^3A ВЫЧИСЛЯЮТ ПРОВОДИМОСТИ.
Используя величины аир, которые соответствующим
образом зависят от мембранного потенциала, мы по-
лучили хорошее, хотя и несовершенное, совпадение
теоретически вычисленных проводимостей с найден-
ными экспериментально. На фиг. 29 кривые представ-
ляют собой результат расчета, а точки дают значе-
ния натриевой и калиевой проводимостей, получен-
ные на основе экспериментальных данных. Влияние
реполяризации мембраны на «включение» проводи-
мостей было учтено при составлении уравнений и
описывается ими без каких-либо дополнительных
предположений.
Полное выражение для плотности мембранного
тока / имеет вид
+ (4)
Первый член в правой части равенства представляет
собой емкостной ток, а с — емкость мембраны на еди-
но
ницу площади. Второй И третий члены соответствуют
калиевому и натриевому току, а последний, относи-
тельно менее важный член, дает ток, который пере-
носят другие ионы, в том числе и ионы хлора, через
постоянную проводимость утечки gy.
Если потенциал действия вызывается одновремен-
но на некотором участке нерва коротким раздражаю-
щим импульсом, подаваемым с помощью длинной
металлической проволоки, введенной в аксоплазму,
то в любой момент времени после окончания раздра-
жающего импульса и радиальный и продольный токи
в данном участке аксона отсутствуют. При этих усло-
виях уравнение (4) можно упростить, полагая 1=0
для t>0 и выбирая в качестве граничного условия
начальное смещение V. Решения такого типа были
получены численными методами или с помощью вы-
числительной машины; как можно видеть из данных,
приведенных на фиг. 33, результаты расчета хорошо
согласуются с поведением реальных нервов.
Для расчета формы и скорости распространяю-
щегося потенциала действия использованы уравнения
(1), (2), (3) и (4), а также хорошо известное соот-
ношение для плотности тока в непрерывном нервном
волокне, окруженном большим объемом жидкости.
Последнее соотношение имеет следующий вид:
a d2V
1 ~ 2R дх2 ’
где а — радиус аксоплазмы, R — ее сопротивление, а
х — расстояние вдоль нерва. В том случае, когда им-
пульс распространяется по волокну с постоянной ско-
ростью (0), х можно заменить на —Qt. Тогда после
подстановки уравнения (5) в уравнение (4) получаем
a d2V dV , 17 ч- 4 ,
2/?02 dt2 ~С di +
+ (^-^Na)iNa^ + (V- V,)gr (6)
В этом уравнении скорость проведения 0 постоянна.
Однако в начале вычисления ее величина не извест-
на. Поэтому сначала принимают некоторые значения
0, а затем производят пробное решение. Установле-
но, что V стремится к ±оо, если выбрано слишком
IU
высокое или соответственно слишком низкое значе^
ние 0. Если же найдена точная величина 0, соответ-
ствующая естественной скорости распространения
импульса, то по окончании спайка потенциал возвра-
щается к уровню покоя. Такой метод расчета дает
очень точное значение скорости, и его можно исполь-
зовать при расчете потенциала действия от его на-
чала примерно до середины фазы спада. Для расчета
последней части распространяющегося потенциала
действия Хаксли применил другой метод, который
имеет ту же основу, что и метод расчета потенциала
действия при / = 0.
Решение, стремящееся к ±оо, соответствует по-
тенциалам действия, которые распространяются уско-
ренно при прохождении мимо катода или соответ-
ственно замедленно при прохождении мимо анода.
Пример распространяющегося потенциала дей-
ствия, рассчитанный численно Хаксли, дан на фиг. 30;
Кол с сотрудниками и Хаксли [129] проверили этот
расчет с помощью цифровой вычислительной ма-
шины.
Литература
1. Abbott В. С., Hill А. V., Howarth J. V., The positive
and negative heat production associated with a nerve im-
pulse, Proc. Roy. Soc. B., 148, 149 (1958).
2. A d r i a n E. D., The impulses produced by sensory nerve-
endings. Part I, J. Physiol., 61, 49 (1926).
3. A d r i a n E. D., The impulses produced by sensory nerve-
endings, Part IV, J. Physiol., 62, 33 (1926).
4. Adrian E. D., The basis of sensation, Christophers, London,
1928.
5. A d г i a n E. D., The mechanism of nervous action, Oxford
University Press, 1932.
6. Adrian E. D., The physical background of perception, Cla-
rendon Press, Oxford, 1947.
7. Adrian E. D., Zotterman Y., The impulses produced by
sensory nerve-endings, Part II, J. Physiol., 61, 151 (1926).
8. Adrian E. D., Zotterman Y., The impulses produced by
sensory nerve-endings, Part III, J. Physiol., 61, 465 (1956)<
9. Adrian R. H., The effect of internal and external potassium
concentration on the membrane potential of frog muscle,
J. Physiol., 133, 631 (1956).
10. Ar v a n i t a к i A., Les variations gradudes de la polarisa-
tion des systemes excitables, Hermann et Cie, Paris, 1938.
11. Asano T., Hurlbut W. P., Effects of potassium, sodium
and azide on the ionic movements that accompany acti-
vity in frog nerves, J. gen. Physiol., 41, 1187 (1958).
12. Aubert X., Fess ard A., Keynes R. D., The thermal
events during and after the discharge of the electric organs
of Torpedo and Electrophorus, p. 136 in Bioelectrogenesis,
Elsevier, Amsterdam, 1961.
13. Aubert X., Keynes R. D., Temperature changes in the
electric organ of Electrophorus electricus during and af-
ter its discharge, J. Physiol., 158, 17P (1961).
14. Auger D., Contribution a I’etude de la propagation de la
variation electrique chez les Characees, C. R. Soc. Biol.,
Paris, 113, 1437 (1933).
15. Baker P. F., Hodgkin A. L., Shaw. T. I., Replacement
of the protoplasm of a giant nerve fibre with artificial so-
lutions, Nature, Lond., 190, 885 (1961).
16. Baker P. F., Shaw T. I., Report for 1960—1961, J. Mar.
Biol. Assoc. U. K., 41, 855 (1961),
8 А. Ходжкин 113
17. Bear R. S., Schmitt F. O., You ng J. Z., The ultrastruc-
ture of nerve axoplasm, Proc. Roy. Soc. B., 123, 505 (1937).
18. В e r e s i n a M., The resting heat production of nerve, J.
Physiol. 76, 170 (1932).
19. Bernstein J., Untersuchungen zur Thermodynamik der bio-
elektrischen Strome, Erster Theil, Pfliig. Arch. ges. Physiol.,
92,521 (1902).
20. Bernstein J., Elektrobiologie, Braunschweig: Vieweg, 1912.
21. В e г n s t e i n J., T s c h e r m a к A., Untersuchungen zur Ther-
modynamik der bioelektrischen Strome, Zweiter Teil, Uber
die Natur der Kette des elektrischen Organs bei Torpedo,
Pfliig. Arch. ges. Physiol., 112, 439 (1906).
22. Blinks L. R., The effect of current flow on bioelectric poten-
tial, III, Nitella, J. gen. Physiol., 20, 229 (1936).
23. Boyle P. J., Conway E. J., Potassium accumulation in
muscle and associated changes, J. Physiol., 100, 1 (1941).
24. В г i и к F., В г о n к D. W., Carlson F. D., С о n n e 1-
1 у С. M., The oxygen uptake of active axons, Cold Spr.
Harb. Symp. Quant. Biol., 17, 53 (1952).
25. В г о n к D. W., Ferguson L. K., The nervous control of
intercostal respiration, Amer. J. Physiol., 110, 700 (1935).
26. Burton K., Free energy data of biological interest. Appen-
dix, p. 275, in Krebs and Kornberg, Ergebn. Physiol., 49,
212 (1957).
27. Caldwell P. C., The effects of certain metabolic inhibi-
tors on the phosphate esters of the squid giant axon, J. Phy-
siol., 132, 35P (1956).
28. Caldwell P. C., The phosphorus metabolism of squid axons
and its relationship to the active transport of sodium, J. Phy-
siol., 152, 545 (1960).
29. С a 1 d w e 11 P. C., Hodgkin A. L., Keynes R. D.,
S h a w T. I., The effects of injecting ‘energy-rich’ phosphate
compounds on the active transport of ions in the giant
axons of Loligo, J. Physiol., 152, 561 (1960).
30. Caldwell P. C., Keynes R. D., The utilization of phos-
phate bond energy for sodium extrusion from giant axons,
J. Physiol., 137, 12P (1957).
31. Caldwell P. C., Keynes R. D., The effect of ouabain on
the efflux of sodium from a squid giant axon, J. Physiol.,
148, 8P (1959).
32. С a 1 d w e 11 P. C., Keynes R. D., The permeability of the
squid giant axon to radioactive potassium and chloride ions,
J. Physiol., 154, 177 (1960).
33. Carlson F. D., Si ger A., The creatine phosphoryltransfer
reaction in iodoacetate-poisoned muscle, J. gen. Physiol 43,
301 (1959).
34. Cole K. S., Dynamic electrical characteristics of the squid
axon membrane, Arch. Sci. physiol., 3, 253 (1949).
35. С о 1 e K. S., Ions, potentials and the nerve impulse. In Ele-
ctrochemistry in biology and medicine, p. 121, Wiley,
New York, 1955.
36. Cole K. S., A n t о s i e w i c z A., Rabinowitz P., Auto-
matic computation of nerve excitation, J. Soc. Indust. Apph
Math., 3, 153 (1955).
U4
37. С о 1 е К. S., Curtis Н. J., Electric impedance of Nitella
during activity, J. gen. Physiol., 22, 37 (1938).
38. Cole K. S., Curtis H. J., Electric impedance of the squid
giant axon during activity, J. gen. Physiol., 22, 649
(1939).
39. С о 1 e K. S., Hodgkin A. L., Membrane and protoplasm
resistance in the squid giant axon, J. gen. Physiol., 22, 671
(1939).
40. С о n n e 11 у С. M., Recovery processes and metabolism of
nerve, p. 475 in Biophysical Science, published in Rev. Mo-
dern Physics, Vol. 31 and by Wiley, New York (1959).
41. Connelly С. M., Crane fie Id P. F., The oxygen con-
sumption of the stellar nerve of the sauid (Loligo pealii),
XIX Int. Physiol. Congr., Montreal, Abstracts of Commu-
nications, p. 276, 1953.
42. Conway E. J., Nature and significance of concentration
relations of potassium and sodium ions in skeletal muscle,
Physiol. Rev., 37, 84 (1957).
43. Curtis H. J., Cole K. S., Transverse electric impedance of
the squid giant axon, J. gen. Physiol., 21, 757 (1938).
44. Curtis H. J., Cole K. S., Membrane action potentials from
the squid giant axon, J. cell. comp. Physiol., 15, 147
(1940).
45. Curtis H. J., Cole K. S., Membrane resting and action po-
tentials from the squid giant axon, J. cell. comp. Physiol.,
19, 135 (1942).
46. Dalton J. C., Effects of external ions on membrane poten-
tials of a lobster giant axon, J. gen. Physiol., 41, 529
(1958).
47. D a v s о n H., D a n i e 11 i J. F., The permeability of natural
membranes, Cambridge University Press, 1943.
48. D e a n R. B., Theories of electrolyte equilibrium in muscle,
Biol. Symp., 3, 331 (1941).
49. del Castillo J., Katz B., Biophysical aspects of neuro-
muscular transmission, Progr. Biophys., 6, 121 (1956).
50. del Castillo J., Moore J. W., On increasing the velocity
of a nerve impulse, J. Physiol., 148, 665 (1959).
51. D о d g e F. A., Fran kenhaeuser B., Membrane currents
in isolated frog nerve fibre under voltage clamp conditions,
J. Physiol., 143, 76 (1958).
52. Dodge F. A., Frankenhaeuser B., Sodium currents in
the myelinated nerve fibre of Xenopus laevis investigated
with the voltage clamp technique, J. Physiol., 148, 188
(1959).
53. Donaldson H. H., Hoke G. W., On the areas of the axis
cylinder and medullary sheath as seen in cross section of
the spinal nerves of vertebrates, J. comp. Neurol, and
Psychol., 15, 1 (1905).
54. D г a p e r M. H., W e i d m a n n S., Cardiac resting and
action potentials recorded with an intracellular electrode,
J. Physiol., 115, 74 (1951).
55. Du n h a m E. T., Glynn I. M., Adenosinetriphosphatase
activity and the active movements of alkali metal ions, J.
Physiol., 156, 274 (1961),
8* 115
56. E n п о г А. Н., Morrison J. F., Biochemistry of the phoeg
phagens and related guanidines, Physiol. Rev., 38, 63$
(1958).
57. Erlanger J., Blair E. A., Manifestations of segmentation!
in myelinated axons, Amer. J. Physiol., 110, 287 (1934).
58. Erlanger J., Blair E. A., The action of isotonic, saltfr^g
solutions on conductance in medullated nerve fibres, Amer^
J. Physiol., 124, 341 (1938).
59. E r 1 a n g e г J., Gasser H. S., Electrical signs of nervous
activity, Philadelphia, Univ, of Pennsylvania Press, 1937.
60. F a 11 P., Transverse impedance measurement of striated
muscle, J. Physiol., 157, 10P (1961).
61. Fatt P., Ginsborg B. L., The ionic requirements for the
production of action potentials in crustacean muscle fibres^
J. Physiol., 142, 516 (1958).
62. F a 11 P., Katz B., An analysis of the end-plate potential
recorded with an intra-cellular electrode, J. Physiol., 115^
320 (1951).
63. F a 11 P., Katz B., The electrical properties of crustacean;
muscle fibres, J. Physiol., 120, 171 (1953).
64. F e s s a r d A., Proprietes rythmiques de la matiere vivanteE
II, Hermann et Cie, Paris, 1936.
65. F e s s а г d A., Some basic aspects of the activity of electric^
plates, Ann. N. Y. Acad. Sci., 47, 501 (1946).
66. F i n e a n J. B., The molecular structure of nerve myelin ашЙ
its significance in relation to the nerve «membrane», p. 52*
of Metabolism of the nervous system, Pergamon Press, Lon-
don, 1957.
67. Fitzhugh R., Impulses and physiological states in theore*
tical models of nerve membrane, Biophys. J., 1, 445 (1961^
68. F1 e с к e n s t e i n A., Gerlach E., Janke J., Phosphoryl
lierung und aktiver Kationentransport, Schweiz, men. wo*
chenschrift, 86, 1041 (1956).
69. Frankenhaeuser B., Steady state inactivation of sodiunt
permeability in myelinated nerve fibres of Xenopus laevis^
J. Physiol., 148, 671 (1959).
70. Frankenhaeuser B., Quantitative description of sodium";
currents in myelinated nerve fibres of Xenopus laevis, J.
Physiol., 151, 491 (1960).
71. Frankenhaeuser B., Hodgkin A. L., The after- effects
of impulses in the giant nerve fibres of Loligo, J. Phy-
siol., 131, 341 (1956).
72. Frankenhaeuser B., Hodgkin A. L., The action of
calcium on the electrical properties of squid axons, J. Phy-
siol., 137, 218 (1957).
73. F r a z i e r H. S., Keynes R. D., The effect of metabolic
inhibitors on the sodium fluxes in sodium-loaded frog sar-
torius muscle, J. Physiol., 148, 362 (1959).
74. Fritsch G., Die elektrische Fische, Bd. 1, S. 4, von Veit^
Leipzig, 1887.
75. Fulton J. F., The frontal lobes and human behaviour. Sher*
rington lectures II, University Press of Liverpool, 1952.
76. G a f f e у C. T„ M u 11 i n s L. J., Ion fluxes during the action
potential in Chara, J. Physiol., 144, 505 (1958),
116
77. Gasser Н. S., G r u n d f e s t H., Action and excitability in
mammalian A fibres, Amer. J. Physiol., 117, 113 (1936).
78. Gasser H. S., G r u n d f e s t H., Axon diameters in relation
to the spike dimensions and the conduction velocity in mam-
malian A fibres, Amer. J. Physiol., 127, 393 (1939).
79. Geren В. B., The formation from the Schwann cell surface
of myelin in the peripheral nerves of chick embryos, Expt,
cell. Res., 7, 558 (1954).
80. Geren В. B.. Schmitt F. O., The structure of the Schwann
cell and its relation to the axon in certain invertebrate
nerve fibres, Proc. Nat. Acad. Sci. Wash., 40, 863
(1954).
81. Glynn I. M., The ionic permeability of the red cell mem-
brane, Progr. Biophysics, 8, 241 (1957).
82. Gordon H. T., Welsh J. H., The role of ions in axon
surface reactions to toxic organic compounds, J. cell. comp.
Physiol., 31, 395 (1948).
83. G о r t e r E., G г e n d e 1 F., On bimolecular layers of lipoids
on the chromocytes of the blood, J. exp. Med., 41, 439
(1925).
84. G о t c h F., Burch G. J., The electrical response of nerve to
two stimuli, J. Physiol., 24, 410 (1899).
85. G о t c h F., Horsley V., On the mammalian nervous sy-
stem, its functions, and their localisation determined by an
electrical method, Philos. Trans. B, 1891, p. 267, 1891.
86. G г a n i t R., Receptors and sensory perception, Yale Univer-
sity Press, 1955. (Гранит P., Электрофизиологическое
исследование рецепции, ИЛ, М., 1957.)
87. G г а у J. А. В., Initiation of impulses at receptors, Chapter 4,
Hdbk. of Physiol. Section 1, Neurophysiology, Vol. 1, p. 123,
Williams and Wilkins, Baltimore, 1959.
88. G r e e n g a r d P., S t r a u b R. W., Effect of frequency of
electrical stimulation on the concentration of intermediary
metabolites in mammalian non-myelinated fibres, J. Physiol.,
148, 353 (1959).
89. G r u n d f e s t H., Electrical inexcitability of synapses and
some consequences in the central nervous system, Physiol.
Rev., 37, 337 (1957).
90. Grundfest H., Nachmansohn D., Increased sodium
entry into squid giant axons at high frequencies and during
reversible inactivation of cholinesterase, Fed. Proc., 9, 53
(1950).
91. Hagiwara S., Oomura Y., The critical depolarization
for the spike in the squid giant axon, Jap. J. Physiol., 8,
234 (1958).
92. Hartline H. K., Intensity and duration in the excitation
of single photoreceptor units, J. cell. comp. Physiol., 5, 229
(1934).
93. Hermann L., Zur Theorie der Erregungsleitung und der
elektrischen Erregung, Pfliig. Arch., 75, 574 (1899).
94. Hill A. V., Chemical wave transmission in nerve, Cambridge
University Press, 1932.
95. H i 11 A. V., A closer analysis of the heat production of nerve,
Proc. Roy, Soc. B, 111, 106 (1932).
117
96. H i n к e J. А. М., The measurement of sodium and potassium
activities in the squid axon by means of cation-selective
glass micro-electrodes, J. Physiol., 156, 314 (1961).
97. Hodgkin A. L., Evidence for electrical transmission in
nerve, Part I. J. Physiol., 90, 183 (1937).
98. Hodgkin A. L., Evidence for electrical transmission in ner-
ve, Part II, J. Physiol., 90, 211 (1937).
99. H о d g к i n A. L., The subthreshold potentials in a crusta-
cean nerve fibre, Proc. Roy. Soc. B, 126, 87 (1938).
100. Hodgkin A. L., The relation between conduction velocity
and the electrical resistance outside a nerve fibre, J. Phy-
siol., 94, 560 (1939).
101. Hodgkin A. L., The local electric changes associated with
repetitive action in a non-medullated axon, J. Physiol., 107,
165 (1948).
102. Hodgkin A. L., The ionic basis of electrical activity in
nerve and muscle, Biol. Rev., 26, 339 (1951).
103. Hodgkin A. L., A note on conduction velocity, J. Physiol.,
125,221 (1954).
104. Hodgkin A. L., Ionic movements and electrical activity in
giant nerve fibres, Proc. Roy. Soc. B, 148, 1 (1958).
105. Hodgkin A. L., Horowicz P., Movements of Na and К
in single muscle fibres, J. Physiol., 145, 405 (1959).
106. Hodgkin A. L., Horowicz P., The influence of potassium
and chloride ions on the membrane potential of single
muscle fibres, J. Physiol., 148, 127 (1959).
107. Hodgkin A. L., Huxley A. F., Action potentials recorded
from inside a nerve fibre, Nature, Lond., 144, 710
(1939)-
108. Hodgkin A. L., Huxley A. F., Resting and action poten-
tials in single nerve fibres, J. Physiol., 104, 176 (1945).
109. Hodgkin A. L., Huxley A. F., Potassium leakage from
an active nerve fibre, J. Physiol., 106, 341 (1947).
110, H о d g к i n A. L., Huxley A. F., Currents carried by sodium
and potassium ions through the membrane of the giant
axon of Loligo, J. Physiol., 116, 449 (1952).
111. Hodgkin A. L., Huxley A. F., The components of mem-
brane conductance in the giant axon of Loligo, J. Physiol.,
116, 473 (1952).
112. Hodgkin A. L., Huxley A. F., The dual effect of mem-
brane potential on sodium conductance in the giant axon of
Loligo, J. Physiol., 116, 497 (1952).
113. Hodgkin A. L., Huxley A. F„ A quantitative description
of membrane current and its application to conduction and
excitation in nerve, J. Physiol., 117, 500 (1952).
114. Hodgkin A. L., Huxley A. F., Movement of radioactive
potassium and membrane current in a giant axon, J. Phy-
siol., 121, 403 (1953).
115. H о d g к i n A. L., Huxley A. F., Katz B., Measurement
of current-voltage relations in the membrane of the giant
axon of Loligo, J. Physiol., 116, 424 (1952).
116. Hodgkin A. L., Katz B., The effect of sodium ions on the
electrical activity of the giant axon of the squid, J. PhysioLM
108, 37 (1949),
118
117. Hodgkin A. L., Keynes R. D., The mobility and diffu-
sion coefficient of potassium in giant axons from Sepia,
J. Physiol., 119, 513 (1953).
118. Hodgkin A. L., Keynes R. D., Movements of cations
during recovery in nerve, Symp. Soc. Exp. BioL, 8, 423
(1954).
119. Hodgkin A. L., Keynes R. D., Active transport of cations
in giant axons from Sepia and Loligo, J. Physiol., 128, 28
(1955).
120. Hodgkin A. L., Keynes R. D., The potassium permeability
of a giant nerve fibre, J. Physiol., 128, 61 (1955).
121. Hodgkin A. L., Keynes R. D., Experiments on the injec-
tion of substances into squid giant axons by means of a
microsyringe, J. Physiol., 131, 592 (1956).
122. Hodgkin A. L., Keynes R. D., Movements of labelled
calcium in squid giant axons, J. Physiol., 138, 253
(1957).
123. Hodler J., S t a m p f 1 i R., T a s a к i I., Uber die Wirkung
internodaler Abkuhlung auf die Erregungsleitung in der iso-
lierten niarkhaltigen Nervenfaser des Frosches, Pfliig. Arch,
ges. Physiol., 253, 380 (1951).
124. Hodler J., Stampfli R., T a s a к i I., Role of the poten-
tial wave spreading along myelinated fibre in excitation
and conduction, Amer. J. Physiol., 170, 375 (1952).
125. Hoffman J. F., Molecular mechanism of active cation
transport, in Biophysics of Physiological and Pharmacologi-
cal actions, p. 3, Publication No. 69 of the Amer. Assoc,
for the Advancement of Science, Washington, D. C.,
1961.
126 Hokin L. E., Hokin Mabel R., Studies on the carrier
function of phosphatidic acid in sodium transport, I, The
turnover of phosphatidic acid and phosphoinositide in the
avian salt gland on stimulation of secretion, J. gen. Phy-
siol., 44, 61 (1960).
127. Holmes W., Pumphrey R. J., Young J. Z., The struc-
ture and conduction velocity of the medullated nerve-fibres
of prawns, J. exp. Biol., 18, 50 (1942).
128. H u r s h J. B., Conduction velocity and diameter of nerve
fibres, Amer. J. Physiol., 127, 131 (1939).
129. Huxley A. F., Ion movements during nerve activity, Ann.
N. Y. Acad. Sci., 81, 221 (1959).
130. Huxley A. F., Stampfli R., Evidence for saltatory con-
duction in peripheral myelinated nerve-fibres, J. Physiol.,
108, 315 (1949).
131. Huxley A. F., Stampfli R., Saltatory transmission of
the nervous impulse. Arch. Sci. physiol., 3, 435 (1949).
132. Huxley A. F., Stampfli R., Direct determination of
membrane resting potential and action potential in single
myelinated nerve fibres, J. Physiol., 112, 476 (1951).
133. Huxley A. F., Stampfli R., Effect of potassium and
sodium on resting and action potentials of single myelinated
nerve fibres, J. Pnysiol., 112, 496 (1951).
134. Kato G., The microphysiology of nerve, Maruzen, Tokyo,
1934.
119
135. Kato G., On the excitation, conduction and narcotisation
of single nerve fibres, Cold. Spr. Harb. Symp. quant. Biol.,
4, 202 (1936).
136. Katz B., Impedance changes in frog’s muscle associated'
with electrotonic and ’end plate’ potentials, J. Neurophysiol.,
5, 169 (1942).
137. Katz B., The electrical properties of the muscle fibre mem-
brane, Proc. Roy. Soc. B, 135, 506 (1948).
138. Katz B., Book review in Perspectives in Biology and Medi-
cine, Vol. Ill, p. 563, 1960.
139. Katz B., How cells communicate, Scientific American, Sep-'
tember 1961, p. 209, 1961.
140. Katz B., Schmitt О. H., Electric interaction between two
adjacent nerve fibres, J. Physiol., 97, 471 (1940).
141. Katz B., Schmitt О. H., A note on interaction between
nerve fibres, J. Physiol., 100, 369 (1942).
142. Keynes R. D., The movements of radioactive ions in resting
and stimulated nerve, Arch. Sci. physiol., 3, 165 (1949).
143. Keynes R. D., The leakage of radioactive potassium from
stimulated nerve, J. Physiol., 113, 99 (1951).
144. Keynes R. D., The ionic movements during nervous acti-
vity, J. Physiol., 114, 119 (1951).
145. Keynes R. D., The generation of electricity by fishes, Ende-
avour, 15, 215 (1956).
146. Keynes R. D., Lewis P. R., The sodium and potassium
content of cephalopod nerve fibres, J. Physiol., 114, 151
(1951).
147. Keynes R. D., Lewis P. R., The intracellular calcium
contents of some invertebrate nerves, J. Physiol., 134, 399
(1956).
148. Keynes R. D., Swan R. C., The permeability of frog
muscle fibres to lithium ions, J. Physiol., 147, 626 (1959).
149. К oe chi in B. A., On the chemical composition of the axo-
plasm of squid giant nerve fibres with particular reference
to its ion pattern, J. biophys. biochem. Cytol., 1, 511
(1955).
150. Krebs H. A., Kornberg H. L., Energy transformations
in living matter, Ergebn. Physiol., 49, 212 (1957).
151. Leaf A., Renshaw A., Ion transport and respiration of
isolated frog skin, Biochem. J., 65, 82 (1957).
152 Lewis P. R., The free amino-acids of invertebrate nerve,
Biochem. J., 52, 330 (1952).
153. Lillie R. S., Factors affecting transmission and recovery
in the passive iron nerve model, J. gen. Physiol., 7, 473
(1925).
154. Ling G., Gerard R. W., The normal membrane potential
of frog sartorius fibres, J. cell. comp. Physiol., 34,383 (1949).
155. L i p m a n n F., Metabolic generation and utilization of phos-
phate bond energy, Adv. Enzymol., 1, 99 (1941).
156. Liss mann H. W., Ecological studies on gymnotids, p. 233
in Bioelectrogenesis, Elsevier, Amsterdam, 1961.
157. Loren (e de N 6 R., On the effect of certain quaternary
ammonium ions upon frog nerve, J. cell. comp. Physiol., 33».
Supplement (1949),
120
158. Lucas К., The conduction of the nervous impulse. Long-
mans, London (Revised by E. D. Adrian), 1917.
159. Lussier J. J., Rush ton W. A. H., The excitability of a
single fibre in a nerve trunk, J. Physiol., 117, 87 (1952).
160. L й 11 g a u H. C., Die Wirkung von Guanidinhydrochlorid auf
die Erregungsprozesse an' isolierten markhaltigen Nerven-
fasern, Pfliig. Arch. ges. Physiol., 267, 331 (1958).
161. Maize Is M., Factors in the active transport of cations,
J. Physiol., 112, 59 (1951).
162. Maize Is M., Active cation transport in erythrocytes, Symp.
Soc. Exp. BioL, 8, 202 (1954).
163. Marmont G., Studies on the axon membrane, I. A new
method, J. cell. comp. Physiol., 34, 351 (1949).
164. Matthews В. H. C., Nerve endings in mammalian muscle,
J. Physiol., 78, 1 (1933).
165. Miller W. H., Ratliff F., Hartline H. K., How cells
receive stimuli, Scientific American, September 1961, p. 223,
1961.
166. Moore J. W., Cole K. S., Resting and action potentials
of the squid axon in vivo, J. gen. Physiol., 43, 961 (1960).
167. N a c h m a n s о h n D., Chemical and molecular basis of nerve
activity, Academic Press, New York, 1959.
168. N a s t и к W. L., Hodgkin A. L., The electrical activity of
single muscle fibres, J. cell. comp. Physiol., 35, 39 (1950).
169. Oikawa T., Spyropoulos C. S., Tasaki 1., T e o-
r e 11 T., Methods for perfusing the giant axon of Loligo
pealii, Acta physiol, scand., 52, 195 (1961).
170. Osterhout W. J. V., Hill S. E., Salt bridges and nega-
tive variations, J. gen. Physiol., 13, 547 (1930).
171. Overton E., Beitrage zur allgemeinen Muskel-und
Nervenphysiologie, Pfliig. Arch. ges. Physiol., 92, 346 (1902).
172. Parpart A. K., Ballentine R., Molecular anatomy of
the red cell membrane, in Trends in Physiology and Bio-
chemistry, p. 135, ed. E. S. G. Barron, Academic Press,
New York, 1952.
173. Patton H. D., Chapter 2 in-'Me die al physiology and biophy-
sics, Edited by T. C. Ruch and J. F. Fulton, W. B. Saun-
ders, Philadelphia and London,. 1960.
174. Post R. L., Merritt C. R., Kinsolving C. R., Al-
bright C. D., Membrane adenosinetriphosphatase as a
participant in the active transport of sodium and potassium
in the human erythrocyte, J. Biol. Chem., 235, 1796
(1960).
175. Robertson J. D., New observations on the ultrastructure
of the membranes of frog peripheral nerve fibres, J. biophys.
biochem. Cytol., 3, 1043 (1957).
176. Robertson J. D., Structural alterations in nerve fibres
produced by hypotonic and hypertonic solutions, J. biophys.
biochem. Cytol., 4, 349 (1958).
177. Robertson J. D., The molecular structure and contact re-
lationships of cell membranes, Progr. Biophys., 10, 343
(1960).
178. Robertson J. D., Myelinating and non-myelinating nerve
fibres during development: a new component of the endo-
121
plasmic reticulum of Schwann cells, J. Physiol., 153, 40P
(1960).
179. Rothenberg M. A., Studies on permeability in relation
to nerve function. II. Ionic movements across axonal mem-
branes, Biochem. biophys. acta, 4, 96 (1950).
180. Rush ton W. A. H., A theory of the effects of fibre size in
medullated nerve, J. Physiol., 115, 101 (1951).
181. Sanders F. K., The thickness of the myelin sheaths of
normal and regenerating peripheral nerve fibres, Proc. Roy.
Soc. B, 135, 323 (1948).
182. S c h a t z m a n n H. J., Herzglykoside als Hemmstoffe fйг den
aktiven Kalium- und Natriumtransport durch die Erythro-
cytenmembran, Helv. Physiol. Acta, 11, 346 (1953).
183. Schmitt F. O., Molecular organisation of the nerve fibre,
p. 455 in Biophysical Science published in Rev. Modern
Physics, vol. 31 and by Wiley, New York, 1959.
184. Schmitt F. O., Geschwind N., The axon surface,
Progr. Biophys., 8, 165 (1957).
185. S c h о e p f 1 e G. M., Bloom F. E., Effects of cyanide and
dinitrophenol on membrane properties of single nerve fibres,
Amer. J. Physiol., 197, 1131 (1959).
186. Scribonius Largus, Compositiones, Chapters 11, 99
and 162, Edit. G. Helmreich 1887; Teubner, Leipzig quoted
by Fulton [75] and Keynes [145].
187. Shanes A. M., Factors in nerve functioning, Fed. Proc., 10,
611 (1951).
188. Shanes A. M., Effect of temperature on potassium libera-
tion during nerve activity, Amer. J. Physiol., 177, 377 (1954).
189. Shanes A. M., Electrochemical aspects of physiological and
pharmacological action in excitable cells, Pharmacol. Rev.,
10, 59 (1958).
190. Shanes A. M., Berman M. D., Kinetics of ion movement
in the squid giant axon, J. gen. Physiol., 39, 279 (1955).
191. Sherrington C. S., The integrative action of the nervous
system, Yale University Press, New Haven and London,
1906.
192. S к о и J. C., The influence of some cations on an adenosi-
netriphosphatase from peripheral nerves, Biochem. biophys.
acta, 23, 394 (1957).
193. Stampfli R., Bau und Funktion isolierter markhaltiger
Nervenfasern, Ergebn. Physiol., 47, 70 (1952).
194. Steinbach H. B., Chloride in the giant axons of the squid,
J. cell. comp. Physiol., 17, 57 (1941).
195. Steinbach H. B., Spiegelman S., The sodium and
potassium balance in squid axoplasm, J. cell. comp. Physiol.,
22, 187 (1943).
196. Steindorff G., Das Grab des Ti. Plates 113, 114, Bd. 2,
Veroffentlichungen der Ernst von Sieglin Expedition in
Agypten, Hinrich, Leipzig, 1913.
197. T a s a к i I., Electric stimulation and the excitatory process
in the nerve fibre, Amer. J. Physiol., 125, 380 (1939).
198. T a s a к i L, The electro-saltatory transmision of the nerve
impulse and the effect of narcosis upon the nerve fibre,
Amer. J, Physiol., 127, 211 (1939).
122
199. Tas a ki I., Nervous transmission, Thomas, Springfield,
1953. (Тасаки И., Проведение нервного импульса, ИЛ,
М., 1957).
200. Т a s a k i I., New measurements of the capacity and the re-
sistance of the myelin sheath and the nodal membrane of
the isolated frog nerve fibre, Amer. J. Physiol., 181, 639
(1955).
201. Tasaki I., Conduction of the nerve impulse, Chapter 3
Hdbk. of Physiol. Section 1 Neurophysiology, Vol. 1, p. 75,
Williams and Wilkins, Baltimore, 1959.
202. Tasaki I., M i z u g u c h i K., Response of single Ranvier
nodes to electrical stimuli, J. Neurophysiol., 11, 295 (1948).
203. Tasaki I., Mizuguchi К.» The changes in the electric
impedance during activity and the effects of alkaloids and
polarization upon the bioelectric processes in the myelinated
nerve fibre, Biochem. biophys. acta, 3, 484 (1949).
204. Tasaki I., Takeuchi T., Der am Ranvierschen Knoten
entstehende Aktionsstrom und seine Bedeutung fur die Erre-
gungsleitung, Pfliig. Arch. ges. Physiol., 244, 696 (1941).
205. Tasaki I., Takeuchi T., Weitere Studien uber den
Aktionsstrom der markhaltigen Nervenfaser und uber die
elektrosaltatorische Ubertragung des Nervenimpulses, Pfliig.
Arch. ges. Physiol., 245, 764 (1942).
206. Thies R. E., Electrical recording in the living squid, BioL
Bull., Wood’s Hole, 113, 333 (1957).
207. Thompson D’A г с у W., A glossary of Greek fisches,
Oxford University Press, 1947.
208. U s s i n g H. H., The alkali metal ions in isolated systems
and tissues, Part I of ‘The alkali metal ions in Biology’,
Handb. exp. Pharmakoi., 13, Springer, Berlin, 1959.
209. Volta A., On the electricity excited by the mere contact of
conducting substances of different kinds. In a letter from
Alexander Volta, F. R. S., Professor of Natural Philosophy
in the University of Pavia to the Rt. Hon. Sir Joseph
Banks, К. В., P. R. S., Philos. Trans., 90, 403 (1800).
210. Weddell G., Palmer Elizabeth, P a 1 И e W.,
Nerve endings in mammalian skin, Biol. Rev., 30, 159
(1955).
211. Weidmann S., Electrical characteristics of Sepia axons,
J. Physiol., 114, 372 (1951).
212. Whitt am R., Potassium movements and ATP in human red
cells, J. Physiol., 140, 479 (1958).
213. Young J. Z., The giant nerve fibres and epistellar body
of cephalopods, Quart. J. Mier. ScL, 78, 367 (1936).
214. Young J. Z., Structure of nerve fibres and synapses in
some invertebrates, Cold. Spr. Harb. Symp. Quant. Biol.,
4, 1 (1936).
215. Young J. Z., The functioning of the giant nerve fibres of
the squid, J. exp. Biol., 15, 170 (1938).
216. Ze rah n K-, Oxygen consumption and active sodium trans-
port in the isolated and short-circuited frog skin, Acta phy-
siol. scand., 36, 300 (1956).
217. Baker P. F., unpublished data.
123
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие к русскому изданию.......................... 5
Из предисловия автора .................................. 7
Глава 1. Способ передачи сигналов в нервной системе
Введение ........................................... 9
Общая природа потенциала действия ..................16
Глава II. Структура и общие свойства нервных волокон
Морфология нервных волокон..........................21
Некоторые физико-химические свойства нервных волокон 30
Глава III. Мембранная теория проявления нервного импульса
Изложение теории.................................. 34
Обоснование мембранной теории ....................38
Распространение возбуждения с помощью локаль-
ных токов.....................................38
Увеличение проводимости мембраны во время им-
пульса ..................................... .... 41
Возникновение разности потенциалов на мембране;
перфузия гигантских аксонов...................42
Движение ионов во время активности...............51
Заменители натрия ................................. 55
Глава IV. Сальтаторное проведение импульсов в миелинизи-
рованных нервах
Введение ...........................................56
Эксперименты, показывающие, что возбуждение возни-
кает в перехватах Ранвье . . . ,...................&
124
Эксперименты, показывающие, что перехваты Ранвье
особенно чувствительны к блокирующим агентам 57
Доказательства того, что потенциал действия возникает
в перехватах Ранвье ............................ 58
Электрические характеристики миелинизированных нерв-
ных волокон......................................63
Скорость проведения возбуждения и оптимальная тол-
щина миелиновой оболочки ....................... 65
Глава V. Природа изменений проницаемости мембраны и
расчет потенциала действия
Эквивалентная схема изменений проницаемости мембраны 68
Форма распространяющегося потенциала действия ... 75
Электрические токи запускают генерирование потенциала
действия ........................................78
Аккомодация к электрическому раздражению...........80
Повторные ответы нерва краба........................81
Природа изменений проницаемости ................... 82
Глава VI. Связь движения ионов с обменом веществ
Общая характеристика процесса восстановления .... 88
Действие ингибиторов обмена веществ на движение ионов 92
Влияние наружной концентрации ионов калия..........97
Макроэргические фосфаты.............................98
Введение в волокно макроэргических фосфатов .... 100
Приложение. Уравнения для описания потенциала действия
Литература.............................................113