Потенциал действия. Ионный механизм возникновения потенциала действия. Механизм возникновения потенциала действия Охарактеризуйте ионные механизмы мембранного потенциала действия

Между наружной поверхностью клетки и ее цитоплазмой в состоянии покоя существует разность потенциалов около 0,06-0,09 в, причем поверхность клетки заряжена электроположительно по отношению к цитоплазме. Эту разность потенциалов называют потенциалом покоя или мембранным потенциалом. Точное измерение потенциала покоя возможно только с помощью микроэлектродов, предназначенных для внутриклеточного отведения токов, очень мощных усилителей и чувствительных регистрирующих приборов - осциллографов.

Микроэлектрод (рис. 67, 69) представляет собой тонкий стеклянный капилляр, кончик которого имеет диаметр около 1 мкм. Этот капилляр заполняют солевым раствором, погружают в него металлический электрод и соединяют с усилителем и осциллографом (рис. 68). Как только микроэлектрод прокалывает покрывающую клетку мембрану, луч осциллографа отклоняется вниз из своего исходного положения и устанавливается на новом уровне. Это свидетельствует о наличии разности потенциалов между наружной и внутренней поверхностью клеточной мембраны.

Наиболее полно происхождение потенциала покоя объясняет так называемая мембранно-ионная теория. Согласно этой теории все клетки покрыты мембраной, имеющей неодинаковую проницаемость для различных ионов. В связи с этим внутри клетки в цитоплазме в 30-50 раз больше ионов калия, в 8-10 раз меньше ионов натрия и в 50 раз меньше ионов хлора, чем на поверхности. В состоянии покоя клеточная мембрана более проницаема для ионов калия, чем для ионов натрия. Диффузия положительно заряженных ионов калия из цитоплазмы на поверхность клетки придает наружной поверхности мембраны положительный заряд.

Таким образом, поверхность клетки в покое несет на себе положительный заряд, тогда как внутренняя сторона мембраны оказывается заряженной отрицательно за счет ионов хлора, аминокислот и других крупных органических анионов, которые через мембрану практически не проникают (рис. 70).

Потенциал действия

Если участок нервного или мышечного волокна подвергнуть действию достаточно сильного раздражителя, то в этом участке возникает возбуждение, проявляющееся в быстром колебании мембранного потенциала и называемое потенциалом действия .

Потенциал действия можно зарегистрировать либо с помощью электродов, приложенных к внешней поверхности волокна (внеклеточное отведение), либо микроэлектрода, введенного в цитоплазму (внутриклеточное отведение).

При внеклеточном отведении можно обнаружить, что поверхность возбужденного участка на очень короткий период, измеряемый тысячными долями секунды, становится заряженной электроотрицательно по отношению к покоящемуся участку.

Причина возникновения потенциала действия - изменение ионной проницаемости мембраны. При раздражении проницаемость клеточной мембраны для ионов натрия повышается. Ионы натрия стремятся внутрь клетки, так как, во-первых, они заряжены положительно и их влекут внутрь электростатические силы, во-вторых, концентрация их внутри клетки невелика. В покое клеточная мембрана была малопроницаемой для ионов натрия. Раздражение изменило проницаемость мембраны, и поток положительно заряженных ионов натрия из внешней среды клетки в цитоплазму значительно превышает поток ионов калия из клетки наружу. В результате внутренняя поверхность мембраны становится заряженной положительно, а наружная вследствие потери положительно заряженных ионов натрия отрицательно. В этот момент и регистрируется пик потенциала действия.

Повышение проницаемости мембраны для ионов натрия продолжается очень короткое время. Вслед за этим в клетке возникают восстановительные процессы, приводящие к тому, что проницаемость мембраны для ионов натрия вновь понижается, а для ионов калия возрастает. Поскольку ионы калия также заряжены положительно, то, выходя из клетки, они восстанавливают исходные отношения снаружи и внутри клетки.

Накопления ионов натрия внутри клетки при многократном возбуждении ее не происходит потому, что ионы натрия эвакуируются из нее постоянно за счет действия специального биохимического механизма, называемого "натриевым насосом". Есть данные и об активном транспорте ионов калия с помощью "натрий-калиевого насоса".

Таким образом, согласно мембранно-ионной теории в происхождении биоэлектрических явлений решающее значение имеет избирательная проницаемость клеточной мембраны, обусловливающая разный ионный состав на поверхности и внутри клетки, а следовательно, и разный заряд этих поверхностей. Следует заметить, что многие положения мембранно-ионной теории все еще дискуссионны и нуждаются в дальнейшей разработке.

И потенциал действия большинства нейронов. Тем не менее, в основе любого потенциала действия лежат следующие явления:

Мембрана живой клетки поляризована - её внутренняя поверхность заряжена отрицательно по отношению к внешней благодаря тому, что в растворе возле её внешней поверхности находится бо́льшее количество положительно заряженных частиц (катионов), а возле внутренней поверхности - бо́льшее количество отрицательно заряженных частиц (анионов).
Мембрана обладает избирательной проницаемостью - её проницаемость для различных частиц (атомов или молекул) зависит от их размеров, электрического заряда и химических свойств.
Мембрана возбудимой клетки способна быстро менять свою проницаемостъ для определённого вида катионов, вызывая переход положительного заряда с внешней стороны на внутреннюю (Рис.1 ).

Первые два свойства характерны для всех живых клеток. Третье же является особенностью клеток возбудимых тканей и причиной, по которой их мембраны способны генерировать и проводить потенциалы действия.

Фазы потенциала действия

Предспайк - процесс медленной деполяризации мембраны до критического уровня деполяризации (местное возбуждение, локальный ответ).
Пиковый потенциал, или спайк, состоящий из восходящей части (деполяризация мембраны) и нисходящей части (реполяризация мембраны).
Отрицательный следовой потенциал - от критического уровня деполяризации до исходного уровня поляризации мембраны (следовая деполяризация).
Положительный следовой потенциал - увеличение мембранного потенциала и постепенное возвращение его к исходной величине (следовая гиперполяризация).

Общие положения

Поляризация мембраны живой клетки обусловлена отличием ионного состава с её внутренней и наружной стороны. Когда клетка находится в спокойном (невозбуждённом) состоянии, ионы по разные стороны мембраны создают относительно стабильную разность потенциалов, называемую потенциалом покоя . Если ввести внутрь живой клетки электрод и измерить мембранный потенциал покоя, он будет иметь отрицательное значение (порядка −70 - −90 мВ). Это объясняется тем, что суммарный заряд на внутренней стороне мембраны существенно меньше, чем на внешней, хотя с обеих сторон содержатся и катионы , и анионы . Снаружи - на порядок больше ионов натрия , кальция и хлора , внутри - ионов калия и отрицательно заряженных белковых молекул, аминокислот, органических кислот, фосфатов , сульфатов . Надо понимать, что речь идёт именно о заряде поверхности мембраны - в целом среда и внутри, и снаружи клетки заряжена нейтрально.

Потенциал мембраны может изменяться под действием различных стимулов. Искусственным стимулом может служить электрический ток , подаваемый на внешнюю или внутреннюю сторону мембраны через электрод. В естественных условиях стимулом часто служит химический сигнал от соседних клеток, поступающий через синапс или путём диффузной передачи через межклеточную среду. Смещение мембранного потенциала может происходить в отрицательную (гиперполяризация ) или положительную (деполяризация ) сторону.

В нервной ткани потенциал действия, как правило, возникает при деполяризации - если деполяризация мембраны нейрона достигает некоторого порогового уровня или превышает его, клетка возбуждается, и от её тела к аксонам и дендритам распространяется волна электрического сигнала. (В реальных условиях на теле нейрона обычно возникают постсинаптические потенциалы, которые сильно отличаются от потенциала действия по своей природе - например, они не подчиняются принципу «всё или ничего». Эти потенциалы преобразуются в потенциал действия на особом участке мембраны - аксонном холмике, так что потенциал действия не распространяется на дендриты).

Рис. 3. Простейшая схема, демонстрирующая мембрану с двумя натриевыми каналами в открытом и закрытом состоянии, соответственно

Это обусловлено тем, что на мембране клетки находятся ионные каналы - белковые молекулы, образующие в мембране поры, через которые ионы могут проходить с внутренней стороны мембраны на наружную и наоборот. Большинство каналов ионоспецифичны - натриевый канал пропускает практически только ионы натрия и не пропускает другие (это явление называют селективностью). Мембрана клеток возбудимых тканей (нервной и мышечной) содержит большое количество потенциал-зависимых ионных каналов, способных быстро реагировать на смещение мембранного потенциала. Деполяризация мембраны в первую очередь вызывает открытие потенциал-зависимых натриевых каналов. Когда одновременно открывается достаточно много натриевых каналов, положительно заряженные ионы натрия устремляются через них на внутреннюю сторону мембраны. Движущая сила в данном случае обеспечивается градиентом концентрации (с внешней стороны мембраны находится намного больше положительно заряженных ионов натрия, чем внутри клетки) и отрицательным зарядом внутренней стороны мембраны (см. Рис. 2). Поток ионов натрия вызывает ещё бо́льшее и очень быстрое изменение мембранного потенциала, которое и называют потенциалом действия (в специальной литературе обозначается ПД).

Согласно закону «всё-или-ничего» мембрана клетки возбудимой ткани либо не отвечает на стимул совсем, либо отвечает с максимально возможной для неё на данный момент силой. То есть, если стимул слишком слаб и порог не достигнут, потенциал действия не возникает совсем; в то же время, пороговый стимул вызовет потенциал действия такой же амплитуды , как и стимул, превышающий пороговый. Это отнюдь не означает, что амплитуда потенциала действия всегда одинакова - один и тот же участок мембраны, находясь в разных состояниях, может генерировать потенциалы действия разной амплитуды.

После возбуждения нейрон на некоторое время оказывается в состоянии абсолютной рефрактерности , когда никакие сигналы не могут его возбудить снова, затем входит в фазу относительной рефрактерности , когда его могут возбудить исключительно сильные сигналы (при этом амплитуда ПД будет ниже, чем обычно). Рефрактерный период возникает из-за инактивации быстрого натриевого тока, то есть инактивации натриевых каналов (см. ниже).

Распространение потенциала действия

Распространение потенциала действия по немиелинизированным волокнам

По ходу ПД каналы переходят из состояния в состояние: у Na + каналов основных состояний три - закрытое, открытое и инактивированное (в реальности дело сложнее, но этих трёх достаточно для описания), у K + каналов два - закрытое и открытое.

Поведение каналов, участвующих в формировании ПД, описывается через проводимость и высчиляется через коэффициенты переноса (трансфера).

Коэффициенты переноса были выведены Ходжкиным и Хаксли.

Проводимость для калия G K на единицу площади

где:

- коэффициент трансфера из закрытого в открытое состояние для K+ каналов ;

- коэффициент трансфера из открытого в закрытое состояние для K+ каналов ;

- фракция К+ каналов в открытом состоянии;

- фракция К+ каналов в закрытом состоянии

Проводимость для натрия G Na на единицу площади

рассчитывается сложнее, поскольку, как уже было сказано, у потенциал-зависимых Na+ каналов, помимо закрытого/открытого состояний, переход между которыми описывается параметром , есть ещё инактивированное/не-инактивированное состояния, переход между которыми описывается через параметр

,	,
где:	где:
- коэффициент трансфера из закрытого в открытое состояние для Na+ каналов ;	- коэффициент трансфера из инактивированного в не-инактивированное состояние для Na+ каналов ;
- коэффициент трансфера из открытого в закрытое состояние для Na+ каналов ;	- коэффициент трансфера из не-инактивированного в инактивированное состояние для Na+ каналов ;
- фракция Na+ каналов в открытом состоянии;	- фракция Na+ каналов в не-инактивированном состоянии;
- фракция Na+ каналов в закрытом состоянии	- фракция Na+ каналов в инактивированном состоянии.

См. также

Литература

Wikimedia Foundation . 2010 .

Восстанавливается за счёт диффузии из клетки положительно заряженных ионов калия, концентрация которых в окружающей среде также значительно ниже внутриклеточной.

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

Электротонические потенциалы и потенциалы действия

Потенциал действия кардиомиоцитов

Потенциал действия рабочего миокарда

Потенциал действия в клетках-пейсмейкерах

Мембранные потенциалы - Часть 1

Субтитры

В предыдущем видеоролике речь шла о том, как клетка использует натрий-калиевый насос и АТФ для поддержания разницы потенциалов между внутренним пространством клетки и внешней средой. В целом, внешняя среда более положительно заряжена, чем внутренняя. У нас имеется разница потенциалов -70 милливольт между внутренней и внешней средой. Это значение со знаком минус, поскольку внешняя среда более положительно заряжена. Если из менее положительного значения вычесть более положительное значение, то у вас получится отрицательное значение порядка -70. Это утверждение является основой для понимания того, каким образом нейроны передают сигналы в организме. И чтобы лучше объяснить это, я хочу дать вам еще одно понятие дополнительно. После этого вы поймете, в чем состоит принцип передачи сигнала нейроном в реальной жизни. И более того, вам станет понятно, для чего им необходимы эти миелиновые оболочки и перехваты Ранвье, и для чего нужны все эти дендриты. Я надеюсь, у вас сложится целостная картина. Итак, есть два пути, которыми может перемещаться потенциал. Два пути передачи сигнала. Назовем это так.. Я не знаю какое слово подходит больше. Итак, первый путь - электротонический. Звучит очень сложно, но вы убедитесь, что в основе лежит очень простая идея. Сначала запишу сам термин. Электротонический... электротонический потенциал. И второе, на чем я собираюсь остановиться, это потенциал действия. У обоих из них имеются положительные и отрицательные стороны в контексте способности передачи сигнала. Мы будем говорить о них в рамках представлений о клетке и клеточной мембране. Давайте теперь со всем этим подробно разберемся. Итак, я изображу мембрану клетки. Условимся, что это нервная клетка, или нейрон, ведь мы обсуждаем именно нервные клетки. Мы знаем, что более положительный заряд находится на внешней стороне.. Мы также знаем, что на внешней стороне имеется большое количество натрия, и Его количество на внешней стороне больше, чем на внутренней стороне. Здесь его может быть совсем немного. И мы знаем, что внутри содержание калия намного больше, чем снаружи, однако мы также знаем, что внешняя сторона имеет больший положительный заряд, чем внутренняя, поскольку наш натрий-калиевый насос будет выкачивать три иона натрия на каждые два иона калия, которые он закачивает внутрь. И в последнем видеоролике я говорил вам, что существуют структуры, которые называются натриевыми воротами. Ворота для ионов натрия. Вот это все ионы. Они обладают зарядом. И теперь допустим, что имеются некоторые обстоятельства, некоторые стимулы - давайте я отмечу их. Опущусь немного ниже. Вот здесь расположены наши ворота для ионов натрия. Они находятся в закрытом положении, однако давайте скажем, что нечто вызывает их открытие. Мы поговорим, возможно, в этом видеоролике, или в этом и следующем видеороликах о различных вещах, которые могут вызывать их открытие. Определенный тип стимула вызывает их открытие. На самом деле, существует целый ряд различных стимулов. В общем, допустим, они открылись. Что же происходит вслед за их открытием? Мы открыли их, точнее это сделал определенный стимул - что же произойдет дальше? У нас имеется более положительный заряд на внешней стороне, чем на внутренней стороне, поэтому положительно заряженные объекты захотят проникнуть внутрь. А это натриевые ворота, поэтому только натрий может проникать через них. Это, своего рода, изогнутая белковая структура, через которую могут проникать только ионы натрия. И кроме всего прочего, у нас намного больше натрия снаружи, чем внутри. Поэтому градиент диффузии будет способствовать тому, что натрий будет проходить по нему. А в результате того, что ионы натрия заряжены положительно, и внешняя среда также более положительно заряжена, они будут стремиться покинуть эту положительно заряженную среду. Итак, если вы откроете эти ворота, то у вас будет большое количество ионов натрия, готовых к проникновению. Нарисую тут их побольше. И теперь, что должно произойти, если мы будем двигаться дальше по мембране? Давайте увеличим изображение. Итак, давайте представим, что наша мембрана. А это наши открытые ворота, они по какой-то причине открылись, и большое количество ионов натрия проникает внутрь. И все это становится более положительно заряженным. Давайте представим, что здесь у нас есть вольтметр. Мы измеряем разницу потенциалов между внутренней поверхностью мембраны и внешней поверхностью. Давайте я изображу небольшую схему. Я нарисую схему вот здесь на моем вольтметре. И это будет разница потенциалов - или мы можем назвать ее мембранным вольтажем или разницей вольтажа между двумя поверхностями мембраны - и давайте обозначим эту ось как время. Представим, что мы еще не открывали эти ворота. То есть это состояние покоя. Наши натрий-калиевые насосы продолжают работать. Частицы просачиваются назад и вперед, однако соотношение удерживается на значении минус 70 милливольт. Итак, вот здесь у нас минус 70 милливольт. И теперь, как только эти ворота, которые располагаются в некоторых других отделах клетки, открываются, что же происходит? Допустим, при этом, что открываются только эти ворота. Итак, здесь внезапно образуется более положительный заряд. Итак, положительные заряды, здесь уже есть - поэтому другие положительные заряды, обусловленные ионами натрия или калия, будут стремиться быть как можно дальше от этой точки, потому что в этой зоне отсутствует поток положительных ионов. То есть, она менее положительно заряжена, по сравнению с вот этим участком. У нас тут имеется некоторое количество ионов калия, и возможно, некоторое количество ионов натрия. Все они будут стремиться быть как можно дальше от того места, где открылись ворота. Заряд будет стремиться распространиться как можно дальше. И как только это происходит, как только мы открываем эти ворота, у нас происходит смещение положительного заряда в этом направлении. Это происходило при минус 70 милливольтах. Итак, некоторое количество положительного заряда уходит. Все это происходит очень быстро. Практически немедленно после этого, заряд становится менее отрицательным, или более положительным. Разница потенциалов между этим и этим участками становится меньше. Это соответствует данной точке на графике. И теперь, если мы берем эту точку, если мы проделаем то же самое - если мы измерим вольтаж в этой точке вот здесь, то возможно, он будет минус 70 милливольт, а некоторое время спустя, положительный заряд начнет оказывать свое влияние и заряд здесь станет более положительным, при этом эффект будет уменьшаться. Поскольку эти положительные заряды будут распространяться во всех направлениях. В результате эффект как бы разрежается. То есть он становится менее выраженным. И заряд здесь станет менее положительным. Итак, электротонический потенциал происходит в одной точке клетки, когда ворота открываются и заряд начинает распространяться внутрь, и начинает воздействовать на потенциал в других отделах клетки. Однако положительным моментом является то, что он очень быстрый. По мере того, как это происходит... По мере поступления в клетку, он становится все более и более положительным, однако чем дальше он проникает, тем эффект все больше рассеивается... все больше рассеивается по мере увеличения расстояния. И если вам важна скорость, то вам потребуется именно этот электротонический потенциал. Как только это происходит, его воздействию подвергаются все остальные отделы клетки, однако если вы хотите, чтобы это изменение потенциала распространялось на более длинные расстояния - к примеру, давайте решим, что если мы прошли весь путь до этой точки нейрона и хотим теперь измерить его, то он не будет оказывать какого-либо влияния. Возможно, несколько позднее, однако этот потенциал не будет иметь никакого влияния, поскольку заряд рассеивается по мере того как увеличивается заряд во всей клетке целиком. Итак, это влияние вдали от первоначальной локализации, где произошло открытие ворот. Оно будет существенно меньше. Расстояние на самом деле не идет на пользу действию. И теперь давайте постараемся решить, что будет происходить с потенциалом действия. Из названия ясно, что в этом случае будет больше действия. Итак, давайте начнем с той же ситуации. У нас имеются натриевые ворота, которые открываются под действием определенных стимулов. И сейчас я изображу две мембраны. Вот здесь внешняя сторона. И, соответственно, это - внутренняя сторона. Давайте я изображу - возможно, мы уже сталкивались с этим - но сейчас мы разберем это более подробно. Допустим, это - аксон, и давайте я нарисую здесь еще одни натриевые ворота. Они находятся совсем рядом. И они должны быть трансформирующимися. Итак, они трансформируются, а здесь у меня располагаются еще одни натриевые ворота. Нарисую и их. Но не думаю, что нужно рисовать их в большом количестве. Нужно изобразить одно скопление, чтобы вы понимали, что происходит. Давайте я нарисую еще одни калиевые ворота. Хорошо. Все ворота нарисованы. Давайте договоримся, что они все изначально закрыты. Итак, они все находятся в закрытом положении. И теперь на эти натриевые ворота воздействует стимул. И они открываются. Да, допустим, вот эти ворота открываются. Они стимулируются чем-то и в результате раскрываются. Давайте решим, что конкретно вот эти натриевые ворота открываются под действием определенного стимула, который имеет определенный вольтаж. Пусть ворота открываются когда они достигают значения минус 55 милливольт. Запишу это. И когда они находятся в состоянии покоя, разница потенциалов между внутренним пространством клетки и ее внешним пространством составляет минус 70 милливольт, и они поэтому не открываются. Они остаются закрытыми, однако, если в определенных обстоятельствах этот заряд становится достаточно положительным, чтобы обеспечить значение минус 55 милливольт, эти ворота открываются. Давайте запишем несколько правил, которые определяют то, что происходит с этими воротами. Они закрываются - и все это просто приблизительные числа, главная цель заключается в том, чтобы вы уловили основную идею. Пусть они закрываются при при плюс 35 милливольтах. А наши калиевые ворота открываются при плюс 40 милливольтах, просто чтобы вы уловили основную идею. А закрываются калиевые ворота, при минус 80 милливольтах. Пусть будет так. И что же происходит в результате? Давайте решим, что, по какой-то причине, вольтаж здесь становится минус 55 милливольт. Я сейчас изображу схему, по аналогии с тем, как я это делал раньше. Итак, мне нужно немного пространства, чтобы нарисовать свою схему. Итак, схема та же. Вот это вольтаж мембраны. Хорошо. А вот это время. И давайте представим, что мы измеряем вольтаж - давайте решим, что это мембранный вольтаж вблизи натриевых ворот, расположенных вот здесь. Итак, мы измеряем вольтаж с обеих сторон мембраны. И если отсутствует стимуляция, то мы получаем значение порядка минус 70 милливольт - и вдруг какой-то стимул, по какой-то причине, делает этот участок более положительно заряженным. Возможно, это определенный тип электротонического эффекта, который делает этот участок более положительно заряженным. Возможно, здесь имеются определенные положительные заряды. И, в итоге, этот участок становится более положительно заряженным. Затем натрий-калиевые насосы выкачивают ионы наружу, в результате чего не достигается пороговое значение минус 55 милливольт, в результате ничего не происходит, согласны? Однако когда имеется другой электротонический стимул, или, может быть, несколько, здесь концентрируется большое количество положительных зарядов, в результате чего достигается значение минус 55 милливольт. Запомните, что как только появляется положительный заряд, все становится менее отрицательно заряженным. И разница потенциалов становится меньше. И когда мы достигаем значения минус 55 милливольт - ворота открываются. Вот они были закрыты прежде. Они были закрыты при значении минус 70 милливольт. Итак, давайте я запишу вот здесь. В данной точке, наши натриевые ворота открываются. И теперь что же происходит, когда наши натриевые ворота открываются? Когда они открываются - мы уже наблюдали это раньше - все положительно заряженные ионы натрия направляются вот сюда, как в направлении электрического градиента, так и градиента диффузии, и проникают внутрь клетки. Здесь снаружи имеется такое большое количество натрия, здесь настолько положительный заряд, что они просто стремятся проникнуть внутрь. И как только они достигают этого порога, даже несмотря на то, что это может произойти только при минус 55 или, возможно, при минус 50 милливольтах, в результате ворота открываются и весь наш положительный заряд поступает внутрь клетки. И разница потенциалов становится намного более положительной. Хорошо, теперь дальше. Они продолжают поступать внутрь, и заряд становится все более и более положительным, и по мере того как он становится более положительным, ворота закрываются при значении плюс 35 милливольт. Сейчас освобожу побольше места, чтобы продолжить. Итак, давайте представим, что мы находимся вот здесь - давайте решим, что вот здесь у нас плюс 35 милливольт. Ворота закрываются, и в то же время, все это, что я только что удалил - я установил на значении плюс 40 милливольт, хотя нет, плюс 35, просто чтобы поддержать свою идею. Итак, давайте представим, что при плюс 35 милливольтах наши натриевые ворота открываются. Что же происходит в результате? Внезапно мы оказываемся при плюс 35, или, возможно, при плюс 40 милливольтах вот так - давайте решим, что плюс 40, я полагаю, вы уловили идею так или иначе, поэтому, давайте решим, что плюс 40 . Итак, при плюс 40, эти ворота закрываются. Больше никакие положительно заряженные ионы не поступают внутрь, однако теперь у нас внутри заряд более положительный, по меньшей мере, локально в данной точке на мембране, чем снаружи. И эти ворота открываются. Итак, в результате наши калиевые ворота открываются. K-плюс ионные ворота открываются. И что же происходит теперь, когда они открываются? У нас имеются здесь все эти ионы натрия. Мы уже видели на примере натрий- калиевого насоса, что калий - все эти ионы калия у нас расположены вот здесь. Мы видели на примере натрий-калиевого насоса, что он увеличивает концентрацию натрия на внешней стороне, а концентрация калия при этом выше внутри клетки. И теперь, в дополнении к этому положительному заряду в плюс 40 милливольт, у нас также имеется более положительный заряд на внутренней поверхности мембраны. Итак, они открываются. И эти частицы хотят уйти, поскольку здесь снаружи меньше ионов калия. И они хотят идти по своему градиенту концентрации. На этой стороне также имеется большой положительный заряд. Примерно плюс 40 милливольт. Ионы хотят высвободиться. Они начинают выходить из клетки. Итак, положительные заряды начинают покидать клетку изнутри наружу. И мы снова становимся менее положительно заряженными. Давайте я запишу, что же здесь происходит. Итак, в данной точке наши натриевые ворота закрываются, а открываются калиевые ворота. Одни закрылись, другие открылись. После этого положительные заряды начинают выходить из клетки повторно, и возможно, я несколько сгустил краски, потому что они закроются, вероятно, когда мы уже получим минус 80 милливольт. Допустим, калиевые ворота закроются при -80. И затем наш натрий-калиевый насос может вернуть нас обратно к нашему значению минус 70 милливольт. Итак, вот что происходит на данном участке клетки, в непосредственной близости от первых натриевых ворот. Однако что же происходит, в целом? По мере того как здесь формируется очень пложительный заряд - мы приблизились к значению 40 милливольт вот здесь. Мы достигли 40 милливольт на данном участке клетки. Как вы уже практически проследили это на коротком расстоянии электротонического потенциала, этот участок становится более положительно заряженным. Он становится более положительно заряженным. Эти положительные заряды начинают распространяться туда, где заряд менее положительный. То есть он становится более положительным. Он был при минус 70 милливольт, однако он становится более положительным. Постепенно он увеличивается до минус 65, минус 60, минус 55 и затем «Бам!». Опять происходит стимуляция. И эти ворота снова открываются. Эти ворота опять открываются. Натрий опять поступает внутрь. И если вы хотите проследить за этими воротами, за разницей потенциалов того, что проходит через них, все это происходит как только натрий начинает поступать через эти первые ворота, через вторые ворота - он потенцируется здесь, потому что вторые ворота расположены чуть позже по времени - потому что весь этот поток проходит чуть левее от него, его потенциал увеличивается. Он потенцируется, и с ним происходит снова то же самое. Когда натрий поступает сюда, среда становится положительно заряженной, и это приводит к тому, что клетка, вольтаж вокруг, заряд становятся несколько более положительными, и это запускает открытие следующих натриевых ворот и затем происходит все то же самое, повторяется тот же цикл. Затем калиевые ворота открываются, чтобы отрицательный заряд вернулся, однако к тому времени, как это происходит, среда становится уже достаточно положительно заряженной, чтобы запустить еще одни натриевые ворота. Итак, одни за другими, эти натриевые ворота открываются и закрываются, таким образом передается информация, происходит передача этого изменения потенциала. Итак, что же происходит здесь? Итак, это происходит медленнее и с привлечением энергии. Это происходило - электротонический потенциал - очень быстро. А этот процесс медленный. Потенциал действия более медленный. Я не имею в виду, что он совсем медленный. Он медленнее, потому что он должен задействовать все эти открывания и закрывания ворот, и он также требует энергии. Запишу это. И вы также должны постоянно обеспечивать энергией потенциал в нашей клетке, и использовать ваши натрий-калиевые насосы, которые находятся в активном состоянии. Но это хорошо. Положительной стороной является то, что с его помощью хорошо охватывается расстояние. Это тоже запишем. Мы наблюдали на примере электротонического потенциала, что по мере того, как мы продвигаемся все дальше и дальше от того места, где произошла стимуляция, изменение потенциала становится все более рассеянным. Оно экспоненциально угасает. Оно становится все более рассеянным по мере того, как мы продвигаемся все дальше, что не очень хорошо для больших расстояний. Это же может продолжаться бесконечно, потому что каждый раз когда стимулируются новые ворота, и эти ворота продолжают обеспечивать поток ионов, входящих ионов, а также тех, которые делают так, что среда становится несколько более отрицательно заряженной. Вслед за этим происходит открытие следующих ворот. И это позволяет очень эффективно проходить длинные расстояния. И теперь у нас действительно есть основа для понимания того, что происходит в нейроне, и я продолжу эту тему в следующем видеоролике, где покажу вам, как электротонические потенциалы и потенциалы действия могут объединяться для обеспечения прохождения сигнала по нейрону.

Фазы потенциала действия

Предспайк - процесс медленной деполяризации мембраны до критического уровня деполяризации (местное возбуждение, локальный ответ).
Пиковый потенциал, или спайк , состоящий из восходящей части (деполяризация мембраны) и нисходящей части (реполяризация мембраны).
Отрицательный следовой потенциал - от критического уровня деполяризации до исходного уровня поляризации мембраны (следовая деполяризация).
Положительный следовой потенциал - увеличение мембранного потенциала и постепенное возвращение его к исходной величине (следовая гиперполяризация).

Общие положения

Это обусловлено тем, что на мембране клетки находятся ионные каналы - белковые молекулы, образующие в мембране поры, через которые ионы могут проходить с внутренней стороны мембраны на наружную и наоборот. Большинство каналов ионо-специфичны - натриевый канал пропускает практически только ионы натрия и не пропускает другие (это явление называют селективностью). Мембрана клеток возбудимых тканей (нервной и мышечной) содержит большое количество потенциал-зависимых ионных каналов, способных быстро реагировать на смещение мембранного потенциала. Деполяризация мембраны в первую очередь вызывает открытие потенциал-зависимых натриевых каналов. Когда одновременно открывается достаточно много натриевых каналов, положительно заряженные ионы натрия устремляются через них на внутреннюю сторону мембраны. Движущая сила в данном случае обеспечивается градиентом концентрации (с внешней стороны мембраны находится намного больше положительно заряженных ионов натрия, чем внутри клетки) и отрицательным зарядом внутренней стороны мембраны (см. Рис. 2). Поток ионов натрия вызывает ещё бо́льшее и очень быстрое изменение мембранного потенциала, которое и называют потенциалом действия (в специальной литературе обозначается ПД).

Распространение потенциала действия

По немиелинизированным волокнам

Коэффициенты переноса были выведены Ходжкином и Хаксли.

Проводимость для калия G K на единицу площади

G K = G K m a x n 4 {\displaystyle G_{K}=G_{Kmax}n^{4}}

d n / d t = α n (1 − n) − β n n {\displaystyle dn/dt=\alpha _{n}(1-n)-\beta _{n}n} ,

где:

α n {\displaystyle \alpha _{n}} - коэффициент трансфера из закрытого в открытое состояние для K+ каналов ;

β n {\displaystyle \beta _{n}} - коэффициент трансфера из открытого в закрытое состояние для K+ каналов ;

n {\displaystyle n} - фракция К+ каналов в открытом состоянии;

(1 − n) {\displaystyle (1-n)} - фракция К+ каналов в закрытом состоянии

Проводимость для натрия G Na на единицу площади

рассчитывается сложнее, поскольку, как уже было сказано, у потенциал-зависимых Na+ каналов, помимо закрытого/открытого состояний, переход между которыми описывается параметром m {\displaystyle m} , есть ещё инактивированное/не-инактивированное состояния, переход между которыми описывается через параметр h {\displaystyle h}

G N a = G N a (m a x) m 3 h {\displaystyle G_{Na}=G_{Na(max)}m^{3}h}

d m / d t = α m (1 − m) − β m m {\displaystyle dm/dt=\alpha _{m}(1-m)-\beta _{m}m} ,	d h / d t = α h (1 − h) − β h h {\displaystyle dh/dt=\alpha _{h}(1-h)-\beta _{h}h} ,
где:	где:
α m {\displaystyle \alpha _{m}} - коэффициент трансфера из закрытого в открытое состояние для Na+ каналов ;	α h {\displaystyle \alpha _{h}} - коэффициент трансфера из инактивированного в не-инактивированное состояние для Na+ каналов ;
β m {\displaystyle \beta _{m}} - коэффициент трансфера из открытого в закрытое состояние для Na+ каналов ;	β h {\displaystyle \beta _{h}} - коэффициент трансфера из не-инактивированного в инактивированное состояние для Na+ каналов ;
m {\displaystyle m} - фракция Na+ каналов в открытом состоянии;	h {\displaystyle h} - фракция Na+ каналов в не-инактивированном состоянии;
(1 − m) {\displaystyle (1-m)} - фракция Na+ каналов в закрытом состоянии	(1 − h) {\displaystyle (1-h)} - фракция Na+ каналов в инактивированном состоянии.

Лекция 2 . Общая физиология возбудимых тканей. Потенциал покоя. Потенциал действия .

۩ Сущность процесса возбуждения . Сущность процесса возбуждения можно сформулировать следующим образом. Все клетки организма имеют электрический заряд, который создается неодинаковой концентрацией анионов и катионов внутри и вне клетки. Различная концентрация анионов и катионов внутри и вне клетки является следствием неодинаковой проницаемости клеточной мембраны для различных ионов и работы ионных насосов. Процесс возбуждения начинается с действия на возбудимую клетку раздражителя. Сначала очень быстро повышается проницаемость её мембраны для ионов натрия и быстро возвращается к норме, затем – для ионов калия и также быстро, но с некоторым отставанием возвращается к норме. Вследствие этого ионы перемещаются в клетку и из клетки согласно электрохимическому градиенту – это и есть процесс возбуждения. Возбуждение возможно только в том случае, если клетка постоянно поддерживает потенциал покоя (мембранный потенциал) и при её раздражении быстро изменяется проницаемость клеточной мембраны.

۩ Потенциал покоя . Потенциал покоя (ПП) – это разность электрических потенциалов между внутренней и наружной средами клетки в состоянии её покоя. При этом внутри клетки регистрируется отрицательный заряд. Величина ПП в различных клетках различна. Так, в волокнах скелетной мышцы регистрируется ПП равный 60-90 мВ, в нейронах – 50-80 мВ, в гладких мышцах – 30-70 мВ, в сердечной мышце – 80-90 мВ. Органеллы клеток имеют свои вариабельные мембранные потенциалы.

Непосредственной причиной существования потенциала покоя является неодинаковая концентрация анионов и катионов внутри и вне клетки (смотри таб.1!).

Таблица 1. Внутри- и внеклеточные концентрации ионов в мышечных клетках.

Внутриклеточная концентрация, мМ	Внеклеточная концентрация, мМ




A- (крупномолекулярные внутриклеточные анионы)			A-(крупномолекулярные внутриклеточные анионы)
		Небольшое количество		Небольшое количество
		Очень мало		Основное количество

Неравномерное расположение ионов внутри и вне клетки является следствием неодинаковой проницаемости клеточной мембраны для различных ионов и работы ионных насосов, транспортирующих ионы в клетку и из клетки вопреки электрохимическому градиенту. Проницаемость – это её способность пропускать воду, незаряженные и заряженные частицы согласно законам диффузии и фильтрации. Она определяется:

Размерами каналов и размерами частиц;

Растворимостью частиц в мембране (клеточная мембрана проницаема для растворимых в ней липидов и непроницаема для пептидов).

Проводимость – это способность заряженных частиц проходить через клеточную мембрану согласно электрохимическому градиенту.

Различная проницаемость различных ионов играет важную роль в формировании ПП:

Калий является основным ионом, обеспечивающим формирование ПП, так как его проницаемость в 100 раз выше, чем проницаемость для натрия. При уменьшении концентрации калия в клетке ПП уменьшается, а при увеличении – увеличивается. Он может входить и выходить из клетки. В покое количество входящих ионов калия и выходящих его ионов уравновешивается и устанавливается так называемый калиевый равновесный потенциал, который рассчитывается по уравнению Нернста. Механизм его таков: так как электрический и конценрационный градиенты противодействуют друг другу, то калий стремится выйти наружу по концентрационному градиенту, а отрицательный заряд внутри клетки и положительный вне клетки препятствует этому. Тогда количество входящих ионов становится равным количеству выходящих ионов.

Натрий входит в клетку. Его проницаемость мала по сравнению с проницаемостью калия, поэтому его вклад в формирование ПП невелик.

Хлор входит в клетку в незначительном количестве, так как проницаемость мембраны для него невелика, причем он уравновешивается количеством ионов натрия (противоположные заряды притягиваются). Следовательно, его вклад в формирование ПП невелик.

Органические анионы (глютамат, аспартат, органические фосфаты, сульфаты) вообще не могут выйти из клетки, так как они имеют большие размеры. Поэтому за счет них внутри клетки формируется отрицательный заряд.

Роль ионов кальция в формировании ПП заключается в том, что они взаимодействуют с наружными отрицательными зарядами мембраны клетки и отрицательными карбоксильными группами интерстиция, нейтрализуя их, что ведет к стабилизации ПП.

Кроме выше перечисленных ионов, в формировании ПП играют важную роль и поверхностные заряды мембраны (в основном отрицательные). Их формируют гликопротеиды, гликолипиды и фосфолипиды: фиксированные наружные отрицательные заряды, нейтрализуя положительные заряды внешней поверхности мембраны, уменьшают ПП, а фиксированные внутренние отрицательные заряды мембраны, напротив, увеличивают ПП, суммируясь с анионами внутри клетки. Таким образом, потенциал покоя - это алгебраическая сумма всех положительных и отрицательных зарядов ионов вне и внутри клетки и поверхностных зарядов клеточной мембраны .

Роль ионных насосов в формировании ПП . Ионный насос – это молекула белка, которая обеспечивает перенос иона с непосредственной затратой энергии вопреки электрическому и концентрационному градиентам. В результате сопряженного транспорта натрия и калия поддерживается постоянная разность концентраций этих ионов внутри и вне клетки. Одна молекула АТФ обеспечивает один цикл работы Na/K-насоса – перенос трех ионов натрия за пределы клетки и двух ионов калия внутрь клетки. Таким образом, увеличивается ПП. Нормальная величина потенциала покоя является необходимым условием для формирования потенциала действия, то есть для формирования процесса возбуждения.

۩Потенциал действия . Потенциал действия – это электрофизиологический процесс, который выражается в быстром колебании мембранного потенциала вследствие изменения проницаемости мембраны и диффузии ионов в клетку и из клетки. Роль ПД заключается в обеспечении передачи сигналов между нервными клетками, нервными центрами и рабочими органами, в мышцах ПД обеспечивает процесс электромеханического сопряжения. ПД подчиняется закону «всё или ничего». Если сила раздражения мала, то возникает локальный потенциал, который не распространяется.

Потенциал действия состоит из трех фаз: деполяризации, то есть исчезновения ПП; инверсии – изменения знака заряда клетки на обратный; реполяризации – восстановление исходного МП.

Механизм возникновения потенциала действия .

Фаза деполяризации . При действии раздражителя на клетку начальная частичная деполяризация клеточной мембраны происходит без изменения ее проницаемости для ионов. Когда деполяризация достигает примерно 50% пороговой величины, возрастает проницаемость мембраны для Na + , причем в первый момент сравнительно медленно. В этот период движущей силой, обеспечивающей движение Na + в клетку, являются концентрационный и электрический градиенты. Вспомним, что клетка внутри заряжена отрицательно (разноименные заряды притягиваются), а концентрация Na + вне клетки в 12 раз больше, чем внутри клетки. Условием, обеспечивающим дальнейший вход Na + в клетку, является увеличение проницаемости клеточной мембраны, который определяется состоянием воротного механизма натриевых каналов. Воротный механизм натриевых каналов расположен на внешней и внутренней стороне клеточной мембраны, воротный механизм калиевых каналов – только на внутренней стороне мембраны. В каналах для натрия имеются активационные m-ворота, которые расположены с внешней стороны клеточной мембраны, и инактивационные h-ворота, расположенные с внутренней стороны мембраны. В условиях покоя активационные m-ворота закрыты, инактивационные h-ворота открыты. Калиевые активационные ворота закрыты, а инактивационных калиевых ворот нет. Когда деполяризация клетки достигает критической величины, которая обычно составляет 50 мВ, проницаемость мембраны для Na + резко возрастает, так как открывается большое количество потенциалзависимых m-ворот натриевых каналов и ионы натрия лавиной устремляются в клетку. Развивающаяся деполяризация клеточной мембраны вызывает дополнительное увеличение ее проницаемости и, соответственно, проводимости натрия: открываются все новые и новые активационные m-ворота. В итоге ПП исчезает, то есть становится равным нулю. Фаза деполяризации на этом заканчивается. Ее длительность составляет примерно 0,2-0,5 мс.

Фаза инверсии . Процесс перезарядки мембраны представляет собой вторую фазу ПД – фазу инверсии. Фаза инверсии делится на восходящую и нисходящую составляющие. Восходящая часть . После исчезновения ПП вход в клетку ионов натрия продолжается, так как натриевые активационные m-ворота еще открыты. В результате заряд внутри клетки становится положительным, а снаружи-отрицательным. В течение доли миллисекунды ионы натрия еще продолжают входить в клетку. Таким образом, вся восходящая часть пика ПД обеспечивается в основном входом Na + в клетку. Нисходящая составляющая фазы инверсии . Примерно через 0,2-0,5 мс после начала деполяризации рост ПД прекращается в результате закрытия натриевых инактивационных h-ворот и открытия калиевых активационных ворот. Поскольку калий находится преимущественно внутри клетки, он, согласно концентрационному градиенту, начинает быстро выходить из нее, вследствие чего уменьшается число положительно заряженных ионов в клетке. Заряд клетки снова начинает уменьшаться. Во время нисходящей составляющей фазы инверсии выходу ионов калия из клетки способствует также и электрический градиент. К + выталкивается положительным зарядом из клетки и притягивается отрицательным зарядом снаружи клетки. Так продолжается до полного исчезновения положительного заряда внутри клетки. Калий выходит из клетки не только по управляемым каналам, но и по неуправляемым каналам – каналам утечки. Амплитуда ПД складывается из величины ПП и величины фазы инверсии, составляющей у разных клеток 10-50 мВ.

Фаза реполяризации . Пока активационные калиевые каналы открыты, K + еще продолжает выходить из клетки, согласно химическому градиенту. Заряд внутри клетки становится отрицательным, а снаружи – положительным, следовательно, электрический градиент резко тормозит выход ионов калия из клетки. Но так как сила химического градиента больше силы электрического градиента, ионы калия продолжают очень медленно выходить из клетки. Затем активационные калиевые ворота закрываются, остается только выход ионов калия по каналам утечки, то есть по концентрационному градиенту через неуправляемые каналы.

Таким образом, ПД вызывается циклическим процессом поступления ионов натрия в клетку и последующего выхода калия из нее. Роль Са 2+ в возникновении ПД в нервных клетках незначительна. Однако Са 2+ играет очень важную роль в возникновении ПД сердечной мышцы, в передаче импульсов от одного нейрона к другому, от нервного волокна к мышечному, в обеспечении мышечного сокращения.

Вслед за ПД возникают следовые явления (характерные для нейронов) – сначала следовая гиперполяризация, а затем следовая деполяризация. Следовая гиперполяризация клеточной мембраны обычно является следствием еще сохраняющейся повышенной проницаемости мембраны для ионов калия. Следовая деполяризация связана с кратковременным повышением проницаемости мембраны для Na + и входом его в клетку согласно химическому и электрическому градиентам.

Кроме этого существуют: а) так называемая фаза абсолютной рефрактерности , или полная невозбудимость клетки. Она приходится на пик ПД и продолжатся 1-2 мс; и б) фаза относительной рефрактерности – период частичного восстановления клетки, когда сильное раздражение может вызвать новое возбуждение. Относительная рефрактерность соответствует конечной части фазы реполяризации и следовой гиперполяризации клеточной мембраны. В нейронах вслед за гиперполяризацией возможна частичная деполяризация клеточной мембраны. В этот период очередной потенциал действия можно вызвать более слабым раздражением, так как МП несколько меньше обычного. Этот период называется фазой экзальтации (период повышенной возбудимости).

Скорость протекания фазовых изменений возбудимости клетки определяет ее лабильность. Лабильность , или функциональная подвижность, - это скорость протекания одного цикла возбуждения. Мерой лабильности возбудимого образования является максимальное число ПД, которое он может воспроизвести в 1 секунду. Обычно возбуждение продолжается менее 1 мс и подобно взрыву. Такой «взрыв» протекает мощно, но быстро завершается.

Мышцы, отличияДокумент

... . Возбудимость ткани и ее мера. Законы раздражения возбудимых тканей : силы, времени действия раздражителя... потенциал покоя (МПП); 2) мембранный потенциал действия (МПД); 3) потенциал градиента основного обмена (метаболический потенциал ). Потенциал ...

управляемые. По механизму управления: электро-, хемо- и механоуправляемые;
неуправляемые. Не имеют воротного механизма и всегда открыты, ионы идут постоянно, но медленно.

Потенциал покоя — это разность электрических потенциалов между наружной и внутренней средой клетки.

Механизм формирования потенциалов покоя. Непосредственная причина потенциала покоя — это неодинаковая концентрация анионов и катионов внутри и вне клетки. Во-первых, такое расположение ионов обосновано разницей проницаемости. Во-вторых, ионов калия выходит из клетки значительно больше, чем натрия.

Потенциал действия — это возбуждение клетки, быстрое колебание мембранного потенциала вследствие диффузии ионов в клетку и из клетки.

При действии раздражителя на клетки возбудимой ткани сначала очень быстро активируются и инактивируются натриевые каналы, затем с некоторым опозданием активируются и инактивируются калиевые каналы.

Вследствие этого ионы быстро диффундируют в клетку или из нее согласно электрохимическому градиенту. Это и есть возбуждение. По изменению величин и знака заряда клетки выделяют три фазы:

1-я фаза — деполяризация. Уменьшение заряда клетки до нуля. Натрий движется к клетке согласно концентрационному и электрическому градиенту. Условие движения: открыты ворота натриевого канала;
2-я фаза — инверсия. Изменение знака заряда на противоположный. Инверсия предполагает две части: восходящую и нисходящую.

Восходящая часть. Натрий продолжает двигаться в клетку согласно концентрационному градиенту, но вопреки электрическому градиенту (он препятствует).

Нисходящая часть. Калий начинает выходить из клетки согласно концентрационному и электрическому градиенту. Открыты ворота калиевого канала;

3-я фаза — реполяризация. Калий продолжает выходить из клетки согласно концентрационному, но вопреки электрическому градиенту.

Критерии возбудимости

При развитии потенциала действия происходит изменение возбудимости ткани. Это изменение протекает по фазам. Состояние исходной поляризации мембраны характерно отражает мембранный потенциал покоя, которому соответствует исходное состояние возбудимости а, следовательно, исходное состояние возбудимой клетки. Это нормальный уровень возбудимости. Период предспайка — период самого начала потенциала действия. Возбудимость ткани слегка повышена. Эта фаза возбудимости — первичная экзальтация (первичная супернормальная возбудимость). Во время развития предспайка мембранный потенциал приближается к критическому уровню деполяризации и для достижения этого уровня сила раздражителя может быть меньше пороговой.

В период развития спайка (пикового потенциала) идет лавинообразное поступление ионов натрия внутрь клетки, в результате чего происходит перезарядка мембраны, и она утрачивает способность отвечать возбуждением на раздражители сверхпороговой силы. Эта фаза возбудимости получила название абсолютной рефрактерности, т.е. абсолютной невозбудимости, которая длится до конца перезарядки мембраны. Абсолютная рефрактерность мембраны возникает в связи с тем, что натриевые каналы полностью открываются, а затем инактивируются.

После окончания фазы перезарядки возбудимость ее постепенно восстанавливается до исходного уровня — это фаза относительной рефрактерности, т.е. относительной невозбудимости. Она продолжается до восстановления заряда мембраны до величины, соответствующей критическому уровню деполяризации. Поскольку в этот период мембранный потенциал покоя еще не восстановлен, то возбудимость ткани понижена, и новое возбуждение может возникнуть только при действии сверхпорогового раздражителя. Снижение возбудимости в фазу относительной рефрактерности связано с частичной инактивацией натриевых каналов и активацией калиевых каналов.

Следующему периоду соответствует повышенный уровень возбудимости: фаза вторичной экзальтации или вторичной супернормальной возбудимости. Так как мембранный потенциал в эту фазу ближе к критическому уровню деполяризации, по сравнению с состоянием покоя исходной поляризации, то порог раздражения снижен, т.е. возбудимость клетки повышена. В эту фазу новое возбуждение может возникнуть при действии раздражителей подпороговой силы. Натриевые каналы в эту фазу инактивированы не полностью. Мембранный потенциал увеличивается — возникает состояние гиперполяризации мембраны. Удаляясь от критического уровня деполяризации, порог раздражения слегка повышается, и новое возбуждение может возникнуть только при действии раздражителей сверхпороговой величины.

Механизм возникновения мембранного потенциала покоя

Каждая клетка в состоянии покоя характеризуется наличием трансмембранной разности потенциалов (потенциала покоя). Обычно разность зарядов между внутренней и внешней поверхностями мембран составляет от -80 до -100 мВ и может быть измерена с помощью наружного и внутриклеточного микроэлектродов (рис. 1).

Разность потенциалов между наружной и внутренней сторонами мембраны клетки в состоянии ее покоя называют мембранным потенциалом (потенциалом покоя).

Создание потенциала покоя обеспечивается двумя основными процессами — неравномерным распределением неорганических ионов между внутри- и внеклеточным пространством и неодинаковой проницаемостью для них клеточной мембраны. Анализ химического состав вне- и внутриклеточной жидкости свидетельствует о крайне неравномерном распределении ионов (табл. 1).

В состоянии покоя внутри клетки много анионов органических кислот и ионов К+, концентрация которых в 30 раз больше, чем снаружи; ионов Na+, наоборот, снаружи клетки в 10 раз больше, чем внутри; СI- также больше снаружи.

В покое мембрана нервных клеток наиболее проницаема для К+, менее — для СI- и очень мало проницаема для Na+/ Проницаемость мембраны нервного волокна для Na+ B покое в 100 раз меньше, чем для K+. Для многих анионов органических кислот мембрана в покое совсем непроницаема.

Рис. 1. Измерение потенциала покоя мышечного волокна (А) с помощью внутриклеточного микроэлектрода: М — микрозлектрод; И — индифферентный электрод. Луч на экране осциллографа (В) показывает, что до прокола мембраны микроэлектродом разность потенциалов между М и И была равна нулю. В момент прокола (показан стрелкой) обнаружена разность потенциалов, указывающая, что внутренняя сторона мембраны заряжена отрицательно по отношению к ее наружной поверхности (по Б.И. Ходорову)

Таблица. Внутри- и внеклеточные концентрации ионов мышечной клетки теплокровного животного, ммоль/л (по Дж. Дудел)

	Внутриклеточная концентрация	Внеклеточная концентрация




А- (анионы органических соединений)

В силу градиента концентраций К+ выходит на наружную поверхность клетки, вынося свой положительный заряд. Высокомолекулярные анионы не могут следовать за К+ из-за непроницаемости для них мембраны. Ион Na+ также не может возместить ушедшие ионы калия, ибо проницаемость мембраны для него значительно меньше. СI- по градиенту концентраций может перемешаться только внутрь клетки, увеличивая тем самым отрицательный заряд внутренней поверхности мембраны. Вследствие такого перемещения ионов возникает поляризация мембраны, когда наружная ее поверхность заряжается положительно, а внутренняя — отрицательно.

Электрическое поле, которое создастся на мембране, активно вмешивается в распределение ионов между внутренним и наружным содержимым клетки. По мере возрастания положительного заряда на наружной поверхности клетки иону К+ как положительно заряженному становится все труднее перемещаться изнутри наружу. Он движется как бы в гору. Чем больше величина положительного заряда на наружной поверхности, тем меньшее количество ионов К+ может выходить на поверхность клетки. При определенной величине потенциала на мембране количество ионов К+, пересекающих мембрану в том и другом направлении, оказывается равным, т.е. концентрационный градиент калия уравновешивается имеющимся на мембране потенциалом. Потенциал, при котором диффузионный поток ионов становится равным потоку одноименных ионов, идущих в обратном направлении, называют потенциалом равновесия для данного иона. Для ионов К+ потенциал равновесия равен -90 мВ. В миелинизированных нервных волокнах величина потенциала равновесия для ионов СI- близка к значению мембранного потенциала покоя (-70 мВ). Поэтому, несмотря на то что концентрация ионов СI- снаружи волокна больше, чем внутри его, не отмечается их одностороннего тока в соответствии с градиентом концентраций. В этом случае разность концентраций сбалансирована потенциалом, имеющимся на мембране.

Ион Na+ по градиенту концентраций должен был бы входить внутрь клетки (его потенциал равновесия составляет +60 мВ), и наличие отрицательного заряда внутри клетки не должно было бы препятствовать этому потоку. В этом случае входящий Na+ нейтрализовал бы отрицательные заряды внутри клетки. Однако этого в действительности не происходит, так как мембрана в покое малопроницаема для Na+.

Важнейшим механизмом, поддерживающим низкую внутриклеточную концентрацию ионов Na+ и высокую концентрацию ионов К+, является натрий-калиевый насос (активный транспорт). Известно, что в клеточной мембране имеется система переносчиков, каждый из которых связывается стремя находящимися внутри клетки ионами Na+ и выводит их наружу. С наружной стороны переносчик связывается с двумя находящимися вне клетки ионами К+ которые переносятся в цитоплазму. Энергообеспечение работы систем переносчиков обеспечивается АТФ. Функционирование насоса по такой системе приводит к следующим результатам:

поддерживается высокая концентрация ионов К+ внутри клетки, что обеспечивает постоянство величины потенциала покоя. Вследствие того что за один цикл обмена ионов из клетки выводится на один положительный ион больше, чем вводится, активный транспорт играет роль в создании потенциала покоя. В этом случае говорят об электрогенном насосе, поскольку он сам создает небольшой, но постоянный ток положительных зарядов из клетки, а потому вносит прямой вклад в формирование отрицательного потенциала внутри нее. Однако величина вклада электрогенного насоса в общее значение потенциала покоя обычно невелика и составляет несколько милливольт;
поддерживается низкая концентрация ионов Na + внутри клетки, что, с одной стороны, обеспечивает работу механизма генерации потенциала действия, с другой — обеспечивает сохранение нормальных осмолярности и объема клетки;
поддерживая стабильный концентрационный градиент Na + , натрий-калиевый насос способствует сопряженному К+, Na+ -транспорту аминокислот и Сахаров через клеточную мембрану.

Таким образом, возникновение трансмембранной разности потенциалов (потенциала покоя) обусловлено высокой проводимостью клеточной мембраны в состоянии покоя для ионов К + , СI-, ионной асимметрией концентраций ионов К + и ионов СI-, работой систем активного транспорта (Na+/K+ -АТФаза), которые создают и поддерживают ионную асимметрию.

Потенциал действия нервного волокна, нервный импульс

Потенциал действия - это кратковременное колебание разности потенциалов мембраны возбудимой клетки, сопровождающееся изменением ее знака заряда.

Потенциал действия является основным специфическим признаком возбуждения. Его регистрация свидетельствует о том, что клетка или ее структуры ответили на воздействие возбуждением. Однако, как уже отмечалось, ПД в некоторых клетках может возникать спонтанно (самопроизвольно). Такие клетки содержатся в водителях ритма сердца, стенках сосудов, нервной системе. ПД используется как носитель информации, передающий ее в виде электрических сигналов (электрическая сигнализации) по афферентным и эфферентным нервным волокнам, проводящей системе сердца, а также для инициирования сокращения мышечных клеток.

Рассмотрим причины и механизм генерации ПД в афферентных нервных волокнах, образующих первично воспринимающие сенсорные рецепторы. Непосредственной причиной возникновения (генерации) ПД в них является рецепторный потенциал.

Если измерять разность потенциалов на мембране ближайшего к нервному окончанию перехвата Ранвье, то в промежутках между воздействиями на капсулу тельца Пачини она остается неизменной (70 мВ), а во время воздействия деполяризуется почти одновременно с деполяризацией рецепторной мембраны нервного окончания.

При увеличении силы давления на тельце Пачини, вызывающей возрастание рецепторного потенциала до 10 мВ, в ближайшем перехвате Ранвье обычно регистрируется быстрое колебание мембранного потенциала, сопровождающееся перезарядкой мембраны — потенциал действия (ПД), или нервный импульс (рис. 2). Если сила давления на тельце возрастет еще больше, амплитуда рецепторного потенциала увеличивается и в нервном окончании генерируется уже ряд потенциалов действия с определенной частотой.

Рис. 2. Схематическое представление механизма преобразования рецепторного потенциала в потенциал действия (нервный импульс) и распространения импульса по нервному волокну

Суть механизма генерации ПД состоит в том, что рецепторный потенциал вызывает возникновение локальных круговых токов между деполяризованной рецепторной мембраной немиелинизированной части нервного окончания и мембраной первого перехвата Ранвье. Эти токи, носителями которых являются ионы Na+, К+, СI- и другие минеральные ионы, «протекают» не только вдоль, но и поперек мембраны нервного волокна в области перехвата Ранвье. В мембране перехватов Ранвье в отличие от рецепторной мембраны самого нервного окончания имеется большая плотность ионных потенциалзависимых натриевых и калиевых каналов.

При достижении на мембране перехвата Ранвье величины деполяризации около 10 мВ происходит открытие быстрых потенциалзависимых натриевых каналов и через них в аксоплазму по электрохимическому градиенту устремляется поток ионов Na+. Он обусловливает быструю деполяризацию и перезарядку мембраны перехвата Ранвье. Однако одновременно с открытием быстрых потенциалзависимых натриевых каналов в мембране перехвата Ранвье открываются медленные потенциалзависимые калиевые каналы и из аксоилазмы начинают выходить ионы К+ Их выход запаздывает по отношению ко входу ионов Na+. Таким образом, входящие с большой скоростью в аксоплазму ионы Na+ быстро деполяризуют и перезаряжают на короткое время (0,3-0,5 мс) мембрану, а выходящие ионы К+ восстанавливают исходное распределение зарядов на мембране (реполяризуют мембрану). В результате во время механического воздействия на тельце Пачини силой, равной или превышающей пороговую, на мембране ближайшего перехвата Ранвье наблюдается кратковременное колебание потенциала в виде быстрой деполяризации и реполяризации мембраны, т.е. генерируется ПД (нервный импульс).

Поскольку непосредственной причиной генерации ПД является рецепторный потенциал, то его в этом случае еще называют генераторным потенциалом. Число генерируемых в единицу времени одинаковых по амплитуде и длительности нервных импульсов пропорционально амплитуде рецепторного потенциала, а следовательно, силе давления на рецептор. Процесс преобразования информации о силе воздействия, заложенной в амплитуде рецепторного потенциала, в число дискретных нервных импульсов получил название дискретного кодирования информации.

Более подробно ионные механизмы и временная динамика процессов генерации ПД изучены в экспериментальных условиях при искусственном воздействии на нервное волокно электрическим током различной силы и длительности.

Природа потенциала действия нервного волокна (нервного импульса)

Мембрана нервного волокна в точке локализации раздражающего электрода отвечает на воздействие очень слабого тока, еще не достигшего порогового значения. Этот ответ получил название локального, а колебание разности потенциалов на мембране — локального потенциала.

Локальный ответ на мембране возбудимой клетки может предшествовать возникновению потенциала действия или возникать как самостоятельный процесс. Он представляет собой кратковременное колебание (деполяризация и реполяризация) потенциала покоя, не сопровождающееся перезарядкой мембраны. Деполяризация мембраны при развитиии локального потенциала обусловлена опережающим входом в аксоплазму ионов Na+, а реполяризация — запаздывающим выходом из аксоплазмы ионов К+.

Если воздействовать на мембрану электрическим током возрастающей силы, то при се величине, называемой пороговой, деполяризация мембраны может достигнуть критического уровня — Е к, при котором происходит открытие быстрых потенциалзависимых натриевых каналов. В результате через них происходит лавинообразно нарастающее поступление в клетку ионов Na+. Вызываемый процесс деполяризации приобретает самоускоряющийся характер, и локальный потенциал перерастает в потенциал действия.

Уже упоминалось, что характерным признаком ПД является кратковременная инверсия (перемена) знака заряда на мембране. Снаружи она на короткое время (0,3-2 мс) становится заряженной отрицательно, а внутри — положительно. Величина инверсии может составлять до 30 мВ, а величина всего потенциала действия — 60-130 мВ (рис. 3).

Таблица. Сравнительная характеристика локального потенциала и потенциала действия

Характеристика	Локальный потенциал	Потенциал действия
Проводимость	Распространяется местно, на 1-2 мм с затуханием (декрементом)	Распространяется без затухания на большие расстояния по всей длине нервного волокна
Закон «силы»	Подчиняется	Не подчиняется
Закон «все или ничего»	Не подчиняется	Подчиняется
Явление суммации	Суммируется, возрастает при повторных частых подпороговых раздражениях	Не суммируется
Величина амплитуды
Способность к возбудимости	Увеличивается	Уменьшается вплоть до полной невозбудимости (рефрактерность)
Величина раздражителя	Подпороговая	Пороговая и сверхпороговая

Потенциал действия в зависимости от характера изменения зарядов на внутренней поверхности мембраны подразделяют на фазы деполяризации, реполяризации и гиперполяризации мембраны. Деполяризацией называют всю восходящую часть ПД, на которой выделяют участки, соответствующие локальному потенциалу (от уровня Е 0 до Е к ), быстрой деполяризации (от уровня Е к до уровня 0 мВ), инверсии знака заряда (от 0 мВ до пикового значения или начала реполяризации). Реполяризацией называют нисходящую часть ПД, которая отражает процесс восстановления исходной поляризации мембраны. Вначале реполяризация осуществляется быстро, но, приближаясь к уровню Е 0 , скорость се может замедляться и этот участок называют следовой отрицательностью (или следовым отрицательным потенциалом). У некоторых клеток вслед за реполяризацией развивается гиперполяризация (возрастание поляризации мембраны). Ее называют следовым положительным потенциалом.

Начальную высокоамплитудную быстропротекающую часть ПД называют также пик, или спайк. Он включает фазы деполяризации и быстрой реполяризации.

В механизме развития ПД важнейшая роль принадлежит потенциалзависимым ионным каналам и неодновременному увеличению проницаемости клеточной мембраны для ионов Na+ и К+. Так, при действии на клетку электрического тока он вызывает деполяризацию мембраны и, когда заряд мембраны уменьшается до критического уровня (Е к), открываются потенциалзависимые натриевые каналы. Как уже упоминалось,эти каналы образованы встроенными в мембрану белковыми молекулами, внутри которых имеются пора и два воротных механизма. Один из воротных механизмов — активационный обеспечивает (при участии сегмента 4) открытие (активацию) канала при деполяризации мембраны, а второй (при участии внутриклеточной петли между 3-м и 4-м доменами) — его инактивацию, развивающуюся при перезарядке мембраны (рис. 4). Поскольку оба этих механизма быстро изменяют положение ворот канала, то потенциалзависимые натриевые каналы являются быстрыми ионными каналами. Это обстоятельство имеет определяющее значение для генерации ПД в возбудимых тканях и для его проведения по мембранам нервных и мышечных волокон.

Рис. 3. Потенциал действия, его фазы и ионные токи (а, о). Описание в тексте

Рис. 4. Положение ворот и состояние активности потенциалзависимых натриевого и калиевого каналов при различных уровнях поляризации мембраны

Чтобы потенциалзависимый натриевый канал мог пропускать внутрь клетки ионы Na+, необходимо открыть лишь активационные ворота, поскольку инактивационные в условиях покоя открыты. Это и происходит, когда деполяризация мембраны достигает уровня Е к (рис. 3, 4).

Открытие активационных ворот натриевых каналов приводит к лавинообразному вхождению натрия внутрь клетки, движимому действием сил его электрохимического градиента. Поскольку ионы Na+ несут положительный заряд, то они нейтрализуют избыток отрицательных зарядов на внутренней поверхности мембраны, снижают разность потенциалов на мембране и деполяризуют ее. Вскоре ионы Na+ придают внутренней поверхности мембраны избыток положительных зарядов, что сопровождается инверсией (сменой) знака заряда с отрицательного на положительный.

Однако натриевые каналы остаются открытыми лишь около 0,5 мс и через этот промежуток времени от момента начала

ПД закрываются инактивационные ворота, натриевые каналы становятся инактивированными и непроницаемыми для ионов Na+, поступление которых внутрь клетки резко ограничивается.

С момента деполяризации мембраны до уровня Е к наблюдаются также активация калиевых каналов и открытие их ворот для ионов К+. Ионы К+ под действием сил концентрационного градиента выходят из клетки, вынося из нее положительные заряды. Однако воротный механизм калиевых каналов является медленно функционирующим и скорость выхода положительных зарядов с ионами К+ из клетки наружу запаздывает по отношению ко входу ионов Na+. Поток ионов К+, удаляя из клетки избыток положительных зарядов, обусловливает восстановление на мембране исходного распределения зарядов или ее реполяризацию, и на се внутренней стороне через мгновение от момента перезарядки восстанавливается отрицательный заряд.

Возникновение ПД на возбудимых мембранах и последующее восстановление исходного потенциала покоя на мембране оказываются возможными потому, что динамика входа в клетку и выхода из клетки положительных зарядов ионов Na+ и К+ различна. Вход иона Na+ по времени опережает выход иона К+. Если бы эти процессы были равновесными, то разность потенциалов на мембране не изменялась бы. Развитие способности к возбуждению и генерации ПД возбудимыми мышечными и нервными клетками было обусловлено формированием в их мембране двух типов разноскоростных ионных каналов — быстрых натриевых и медленных калиевых.

Для генерации одиночного ПД требуется поступление в клетку относительно небольшого числа ионов Na+, которое не нарушает его распределения вне и внутри клетки. При генерации большого числа ПД распределение ионов по обе стороны мембраны клетки могло бы нарушиться. Однако в нормальных условиях это предотвращается работой Na+, К+ -насоса.

В естественных условиях в нейронах ЦНС потенциал действия первично возникает в области аксонного холмика, в афферентных нейронах — в ближайшем к сенсорному рецептору перехвате Ранвье нервного окончания, т.е. в тех участках мембраны, где имеются быстрые селективные потенциалзависимые натриевые каналы и медленные калиевые каналы. В других типах клеток (например, пейсмекерных, гладких миоцитах) в возникновении ПД играют роль не только натриевые и калиевые, но и кальциевые каналы.

Механизмы восприятия и преобразования в ПД сигналов во вторично чувствующих сенсорных рецепторах отличаются от механизмов, разобранных для первично чувствствующих рецепторов. В этих рецепторах восприятие сигналов осуществляется специализированными нейросенсорными (фоторецепторные, обонятельные) или сенсоэпителиальными (вкусовые, слуховые, вестибулярные) клетками. В каждой из этих чувствительных клеток имеется свой, особый механизм восприятия сигналов. Однако во всех клетках энергия воспринимаемого сигнала (раздражителя) преобразуется в колебание разности потенциалов плазматической мембраны, т.е. в рецепторный потенциал.

Таким образом, ключевым моментом в механизмах преобразования сенсорными клетками воспринимаемых сигналов в рецепторный потенциал является изменение проницаемости ионных каналов в ответ на воздействие. Открытие Na+, Са 2+ , К+ -ионных каналов при восприятии и преобразовании сигнала достигается в этих клетках при участии G-белков, вторых внутриклеточных посредников, связывании с лигандами, фосфорилировании ионных каналов. Как правило, возникший в сенсорных клетках рецепторный потенциал вызывает высвобождение из них в синаптическую щель нейромедиатора, который обеспечивает передачу сигнала на постсинаптическую мембрану афферентного нервного окончания и генерацию на его мембране нервного импульса. Эти процессы подробно описаны в главе, посвященной сенсорным системам.

Потенциал действия может быть охарактеризован амплитудой и продолжительностью, которые для одного и того же нервного волокна остаются одинаковыми при распространении ПД по волокну. Поэтому потенциал действия называют дискретным потенциалом.

Между характером воздействия на сенсорные рецепторы и числом ПД, возникших в афферентном нервном волокне в ответ на воздействие, имеется определенная связь. Она заключается в том, что на большие но силе или продолжительности воздействия в нервном волокне формируется большее число нервных импульсов, т.е. при усилении воздействия в нервную систему будут посылаться от рецептора импульсы большей частоты. Процессы преобразования информации о характере воздействия в частоту и другие параметры нервных импульсов, передаваемых в ЦНС, получили название дискретного кодирования информации.