Фізіологія клітини: будова та функції

Безліч крихітних лабораторій, розміри яких не перевищують десятої частки міліметра, невпинно й точно діють у кожному тваринному і рослинному організмі. Лабораторії ці – клітини. У кожній з них відбуваються складні реакції. Взаємодіючи між собою, клітини обумовлюють всі види діяльності – від м’язових скорочень до найрізноманітніших психічних процесів.

Вже багато десятиліть думка вчених спрямована на те, щоб заглянути всередину цих лабораторій і пізнати процеси, які лежать в основі їхньої діяльності і в кінцевому підсумку в основі життєдіяльності всього організму.

Створення і вдосконалення мікроскопа вже в минулому сторіччі дозволило відкрити багато деталей клітинної будови. Але про значення цих деталей в більшості випадків можна було лише здогадуватися. Адже гістологам (фахівцям з вивчення клітини) доводилося розглядати в основному мертві тканини, оброблені різними сильнодіючими речовинами. Лише деякі клітини могли бути предметом мікроскопічного дослідження в живому стані. На них і були зроблені перші спроби вивчення внутрішньоклітинних процесів.

Клітину поміщали в різні середовища. За допомогою спеціальних, дуже тонких інструментів її різали на частини, упорскували в неї різні речовини і спостерігали зміни, що відбуваються в ній при цих діях. Так з’явилася спеціальна наука – фізіологія клітини. На перших порах предметом вивчення для фізіологів була тільки окремо взята клітина, а їх методи вивчення здебільшого приводили до незворотних порушень всієї життєдіяльності, а часом і до загибелі клітини. Тому довгий час залишалися без відповіді найважливіші питання. Для того, щоб відповісти на них, потрібно було проникнути всередину клітини, що знаходиться в природному положенні в організмі і пов’язаної з всіма іншими клітинами, і отримати точні відомості про процеси, які в ній відбуваються. Найбільш ефективні шляхи для досягнення цієї мети були відкриті завдяки вивченню виникаючих у клітині електричних потенціалів.

Електричне життя клітини

Діяльність клітин нерозривно пов’язана з генерацією ними електричних потенціалів. Поверхня клітини постійно, навіть у спокійному стані, несе на собі досить значний (особливо якщо враховувати її мікроскопічні розміри) електричний заряд. Зовнішня сторона поверхні клітини заряджена завжди позитивно по відношенню до внутрішньої – різниця їх потенціалів становить від 0,05 до 0,1 вольта.

Якщо ж досліджувати різні точки зовнішньої поверхні клітини, то їх електричний потенціал виявляється однаковим. Однак місце пошкодження будь-якої живої тканини завжди виявляється негативно зарядженим по відношенню до неушкодженої частини. Дослідники робили звідси висновок, що в місці пошкодження відкривається доступ до внутрішньої сторони поверхні клітини і що в даному випадку вдається зареєструвати постійно існуючу між зовнішньою і внутрішньою сторонами клітинної поверхні різницю потенціалів. Але чи так це? Адже і саме по собі пошкодження може викликати великі зміни в живій тканині. Потрібні були методи, які переконливо доводили б наявність різниці потенціалів зовнішньої і внутрішньої поверхні клітини і дозволили б визначити її величину. Для цього був потрібен дуже тонкий електрод, ізольований аж до самого кінчика, який можна було б застромити в клітину, не пошкоджуючи її.

Поєднавши цей внутрішньоклітинний електрод і інший, розташований зовні клітини, з досить чутливим вимірювальним приладом, можна абсолютно точно вимірювати електричні потенціали, існуючі між зовнішньою і внутрішньою сторонами клітинної поверхні.

Такі мікроелектроди вдалося виготовити. Вони являють собою мініатюрні скляні піпетки, заповнені розчином, що добре проводить електричний струм. Скло є прекрасним ізолятором і в той же час досить міцне. Вимоги до таких мікроелектродів ставляться дуже суворі: діаметр їх кінчика не повинен перевищувати 0,5 мікрона. Досить його збільшити до 1 мікрона, як він вже пошкоджує клітину: незабаром після «уколу» вона гине.

За допомогою скляних мікроелектродів були досліджені клітини, що входять в різні тканини організму. І завжди спостерігалося одне і те ж: до тих пір, доки клітина жива, вона має значну різницю потенціалів. Якщо ж вона гине, пропадає і електричний заряд. Знаючи це, ми тепер можемо за допомогою мікроелектродів шукати клітини навіть «наосліп» – наприклад, в глибині мозку. Як тільки кінчик відвідного мікроелектрода потрапляє всередину якої-небудь клітини, відразу ж між ним і зовнішнім електродом виникає характерна постійна різниця потенціалів.

Електричний заряд клітини непостійний. У той момент, коли вона з спокійного стану переходить до діяльності, зовнішня сторона клітинної поверхні стає негативно зарядженою по відношенню до внутрішньої. Електрична «буря» триває всього в тисячні частки секунди. Потім знову відновлюється первинний стан. Такий імпульс, що отримав назву «потенціалу дії», виникає у всіх клітинах, здатних переходити в активний, збуджений стан (нервові, м’язові клітини). І колись клітини не збуджуються без відповідного електричного розряду. Всякі впливу, що змінюють перебіг процесу збудження клітини, відповідно змінюють і її потенціал дії.

Так, скляні електроди і розроблений на основі їх застосування метод відведення електричних потенціалів дозволили точно реєструвати ті зміни, які виникають всередині окремої живої клітини в процесі діяльності організму. Використовуючи цей метод, фізіолог може бути не просто реєстратором. З’явилася можливість аналізувати механізм процесів, які лежать в основі діяльного стану клітини, і в певній мірі керувати ним.

Фізичні умови порушені в клітині

Для прояву активного стану будь-якої з клітин необхідно спочатку понизити різницю потенціалів клітинних поверхонь до певної величини. Як тільки ця величина досягнута, виникає нервовий імпульс, який поширюється по клітині і викликає, зрештою, яку-небудь відповідну реакцію, наприклад, м’язове скорочення або виділення секрету.

Викликати такий імпульс, не знижуючи різниці потенціалів до необхідного рівня, неможливо. Якщо, наприклад, зовнішнє роздратування потрапляє на клітини будь-якого органу почуттів, який потім передає в мозок відповідну інформацію, то воно спочатку обов’язково перетворюється в електричний струм. Струм проходить через поверхню чутливої клітини в напрямку, протилежному постійно існуючої на її поверхні різниці потенціалів, і тим самим знижує останню. Коли зниження виявляється достатнім, чутлива клітина збуджується і починає посилати в мозок імпульси, які сигналізують про подразнення.

Те ж саме відбувається і всередині центральної нервової системи. Шлях, яким йде нервовий імпульс – рефлекторна дуга, – складається з великої кількості послідовних нервових клітин, що не переходять безпосередньо одна в іншу. Кожна з них має довгий відросток, який закінчується великою кількістю тоненьких розгалужень. Кожне розгалуження підходить до наступної клітини і прилягає до її поверхні за допомогою особливого кінцевого потовщення – «синаптичного гудзика».

Це потовщення, як виявилося, має чудову властивість: збуджуючись, воно здатне зменшувати постійну різницю потенціалів на тій частині поверхні іншої клітини, до якої прилягає. Дія одного «гудзика» зазвичай буває слабкою. Але на поверхні кожної клітини їх багато. І коли в активний стан приходять багато «гудзиків», їх дія підсумовується, і різниця потенціалів клітини знижується дуже сильно. У ній виникає нервовий імпульс, який вже самостійно швидко поширюється по клітині і її відростках, підходить до «синоптичних пуговок», розташованих на поверхні інших клітин, і збуджує їх.

У тому, що вирішальним моментом є тут саме зниження електричного заряду на поверхні клітини, переконує простий дослід. Якщо пропускати через два електроди, з яких один введений в клітину, а інший знаходиться зовні її, електричний струм в протилежному існуючої на поверхнях різниці потенціалів напрямку, то ефект виходить точно такий же, як і в звичайних, природних умовах збудження. Як тільки різниця потенціалів знижується до необхідної «критичної» величини, відразу ж виникає незримий імпульс, який потім поширюється по клітині, переходить на інші клітини і може в кінцевому підсумку викликати діяльність будь-якого органу.

У певних умов вплив одної клітини на іншу виявляється в тому, що в ній виникає не нервовий імпульс, а якийсь інший стан, який, навпаки, ускладнює появу імпульсу, робить клітину мало сприйнятливою до збудливих впливів. У таких випадках ми говоримо, що в нервовій клітині відбувається гальмування.

Здатність мозку не тільки збуджуватися, але і переходити в стан гальмування була відкрита ще великим фізіологом І. М. Сеченовим. Природа гальмування довго була предметом суперечок вчених, і лише проникнення в клітину за допомогою мікроелектрода абсолютно точно показало, що гальмування також пов’язане зі зміною величини електричного заряду на її поверхні.

Якщо клітина знаходиться в стані гальмування, то заряд на її поверхні збільшується. У природних умовах до збільшення електричного заряду і до гальмування призводить діяльність «синалтичних гудзичків», прилеглих до клітинної поверхні. Той же ефект можна викликати, якщо пропускати через введений в клітину мікроелектрод електричний струм в такому напрямку, щоб він збільшував існуючий на клітинній поверхні електричний заряд.

Таким чином, впливаючи на клітину електричним струмом різного напрямку, експериментатор може за своїм бажанням викликати процеси, які відбуваються в умовах її природної діяльності.

Електричні потенціали клітинної поверхні – поки що найбільш доступний для вивчення прояв діяльності клітини. Але в основі їх створення і зміни лежить цілий ланцюг інших процесів.

Адже електричні заряди властиві саме живій клітині, вони зникають разом з її смертю. Для підтримки на своїй поверхні великої різниці потенціалів клітина витрачає енергію, яка виробляється в процесі її життєдіяльності.

Єдиним джерелом енергії в живій речовині є обмін речовин. Значить, в клітині існують механізми, здатні перетворювати енергію, звільнену при обміні речовин, в електричний заряд. З іншого боку, всяка зміна цього заряду під впливом зовнішнього впливу передається в глиб протоплазми і різко змінює її, переводячи з спокійного в збуджений або загальмований стан. Все це триває тисячні частки секунди, а потім діяльність тієї ж протоплазми ліквідує всякі зміни, відновлює на клітинній поверхні характерний для спокійного стану електричний заряд.

Як проникнути у внутрішній механізм діяльності клітини?

Безпосередньою основою створення в клітині електричних зарядів і їх зміни є іонні процеси. Адже основні неорганічні сполуки знаходяться в організмі у вигляді електрично заряджених частинок – іонів. Ці частинки дуже нерівномірно розподілені між протоплазмою і навколо клітинним середовищем. Одні з них посилено поглинаються оболонками клітини, інші, навпаки, виштовхуються. Це служить безпосередньою причиною створення постійної різниці електричних потенціалів. При переході клітини до порушеного або, навпаки, загальмованого стану виникають швидкі струми іонів через клітинну поверхню зовні всередину і зсередини назовні.

На основі змін електричних потенціалів можна виміряти струми іонів через клітинну поверхню. Для цього служать спеціальні радіотехнічні прилади, з’єднані з внутрішньоклітинним електродом. Разом з тим з’явилася можливість штучно змінювати ці струми. Адже електрод – це, по суті, мініатюрна піпетка.

Через отвір на кінчику електрода всередину клітини можна вводити розчин, і якщо цей розчин буде містити іони, що мають особливо важливе значення для створення і зміни електричних потенціалів, то таким чином можна буде змінювати струми іонів крізь клітинну поверхню. Виявляється, що при такому втручанні в клітинні процеси можна викликати в них найглибші зміни. Так, введення в клітину певних іонів різко відбивається на діяльності «синаптичних гудзичків». Їх дія, яка раніше збільшувала заряд клітинної поверхні і відповідно викликала гальмування, тепер починає знижувати цей заряд і порушувати клітину.

Звичайно, тонке електрофізіологічне дослідження – це лише один шлях, що відкриває погляду дослідника доступ всередину клітини. Але він особливо добре показує, які величезні можливості відкриваються зараз перед фізіологією. Ще 10-15 років тому ні про що подібне вчені не могли і мріяти. Не менш захоплюючі перспективи відкриває і використання електронної мікроскопії та гістохімії.

Безумовно, на шляху до детального вивчення життєдіяльності клітини ще багато труднощів. Поки що рано думати про застосування мікроелектродних методів для практичних цілей, наприклад, досліджень хворих людей. Вони служать в основному для теоретичних робіт. До того ж потрібно пам’ятати, що управляти клітиною – ще зовсім не означає управляти організмом. Діяльність мозку складається з процесів, що відбуваються одночасно в мільярдах клітин. Навіть якщо ми будемо у всіх подробицях знати, що відбувається в кожній з них, цього буде недостатньо. Необхідно зрозуміти, як відбувається їх об’єднання в складну систему з новими властивостями, яких не можна виявити в кожній окремій клітині.

Зараз електрофізіологи думають про те, щоб реєструвати електричні реакції відразу від декількох клітин і таким чином зіставляти їх діяльність. Так як такі процеси розвиваються за тисячні частки секунди, то, очевидно, що отримувану від клітин інформацію доведеться обробляти на швидкодіючих комп’ютерах. Але навіть це може виявитися недостатнім. У майбутньому знадобляться якісь нові методичні підходи, для того, щоб отримати можливість точно аналізувати діяльність цілих систем клітин. Але важливо те, що початок такому шляху дослідження вже покладено і наука рухається цим шляхом все швидше і швидше».

Автор: Г. Торжовський.