Любая живая клетка покрыта полупроницаемой мембраной, через которую осуществляется пассивное движение и активный избирательный транспорт положительно и отрицательно заряженных ионов. Благодаря этому переносу между наружной и внутренней поверхностью мембраны имеется разность электрических зарядов (потенциалов) – мембранный потенциал. Существует три отличающихся друг от друга проявления мембранного потенциала – мембранный потенциал покоя, местный потенциал , или локальный ответ , и потенциал действия .
Если на клетку не действуют внешние раздражители, то мембранный потенциал долго сохраняется постоянным. Мембранный потенциал такой покоящейся клетки называется мембранным потенциалом покоя. Для наружной поверхности мембраны клетки потенциал покоя всегда положителен, а для внутренней поверхности клеточной мембраны всегда отрицателен. Принято измерять потенциал покоя на внутренней поверхности мембраны, т.к. ионный состав цитоплазмы клетки более стабилен, чем межклеточной жидкости. Величина потенциала покоя относительно постоянна для каждого типа клеток. Для поперечнополосатых мышечных клеток она составляет от –50 до –90 мВ, а для нервных клеток от –50 до –80 мВ.
Причинами возникновения потенциала покоя являются разная концентрация катионов и анионов снаружи и внутри клетки, а также избирательная проницаемость для них клеточной мембраны. Цитоплазма покоящейся нервной и мышечной клетки содержит примерно в 30–50 раз больше катионов калия, в 5–15 раз меньше катионов натрия и в 10–50 раз меньше анионов хлора, чем внеклеточная жидкость.
В состоянии покоя практически все натриевые каналы мембраны клетки закрыты, а большинство калиевых каналов открыто. Всякий раз, когда ионы калия наталкиваются на открытый канал, они проходят через мембрану. Поскольку внутри клетки ионов калия гораздо больше, то осмотическая сила выталкивает их из клетки. Вышедшие катионы калия увеличивают положительный заряд на наружной поверхности клеточной мембраны. В результате выхода ионов калия из клетки должна была бы вскоре уравняться их концентрация внутри и вне клетки. Однако этому препятствует электрическая сила отталкивания положительных ионов калия от положительно заряженной наружной поверхности мембраны.
Чем больше становится величина положительного заряда на наружной поверхности мембраны, тем труднее ионам калия проходить из цитоплазмы через мембрану. Ионы калия будут выходить из клетки до тех пор, пока сила электрического отталкивания не станет равной силе осмотического давления К + . При таком уровне потенциала на мембране вход и выход ионов калия из клетки находятся в равновесии, поэтому электрический заряд на мембране в этот момент называется калиевым равновесным потенциалом . Для нейронов он равен от –80 до –90 мВ.
Поскольку в покоящейся клетке почти все натриевые каналы мембраны закрыты, то ионы Nа + поступают в клетку по концентрационному градиенту в незначительном количестве. Они лишь в очень малой степени возмещают потерю положительного заряда внутренней средой клетки, вызванную выходом ионов калия, но не могут эту потерю существенно компенсировать. Поэтому проникновение в клетку (утечка) ионов натрия приводит лишь к незначительному снижению мембранного потенциала, вследствие чего мембранный потенциал покоя имеет несколько меньшую величину по сравнению с калиевым равновесным потенциалом.
Таким образом, выходящие из клетки катионы калия совместно с избытком катионов натрия во внеклеточной жидкости создают положительный потенциал на наружной поверхности мембраны покоящейся клетки.
В состоянии покоя плазматическая мембрана клетки хорошо проницаема для анионов хлора. Анионы хлора, которых больше во внеклеточной жидкости, диффундируют внутрь клетки и несут с собой отрицательный заряд. Полного уравнивания концентраций ионов хлора снаружи и внутри клетки не происходит, т.к. этому препятствует сила электрического взаимного отталкивания одноименных зарядов. Создается хлорный равновесный потенциал, при котором вход ионов хлора в клетку и их выход из нее находятся в равновесии.
Мембрана клетки практически непроницаема для крупных анионов органических кислот. Поэтому они остаются в цитоплазме и совместно с поступающими анионами хлора обеспечивают отрицательный потенциал на внутренней поверхности мембраны покоящейся нервной клетки.
Важнейшее значение мембранного потенциала покоя состоит в том, что он создает электрическое поле, которое воздействует на макромолекулы мембраны и придает их заряженным группам определенное положение в пространстве. Особенно важно то, что это электрическое поле обусловливает закрытое состояние активационных ворот натриевых каналов и открытое состояние их инактивационных ворот (рис. 61, А). Этим обеспечивается состояние покоя клетки и готовности ее к возбуждению. Даже относительно небольшое уменьшение мембранного потенциала покоя открывает активационные «ворота» натриевых каналов, что выводит клетку из состояния покоя и дает начало возбуждению.
Одна из важнейших функций биологической мембраны - генерация и передача биопотенциалов. Это явление лежит в основе возбудимости клеток, регуляции внутриклеточных процессов, работы нервной системы, регуляции мышечного сокращения, рецепции. В медицине на исследование электрических полей, созданных биопотенциалами органов и тканей, основаны диагностические методы: электрокардиография, электроэнцефалография, электромиография и другие. Практикуется и лечебное воздействие на ткани и органы внешними электрическими импульсами при электростимуляции.
В процессе жизнедеятельности в клетках и тканях могут возникать разности электрических потенциалов: Δj
1) окислительно-восстановительные потенциалы - вследствие переноса электронов от одних молекул к другим;
2) мембранные - вследствие градиента концентрации ионов и переноса ионов через мембрану.
Биопотенциалы, регистрируемые в организме, - это в основном мембранные потенциалы.
Мембранным потенциалом называется разность потенциалов между внутренней (цитоплазматической) и наружной поверхностями мембраны:
j м = j нар - j вн. (1)
Прогресс в исследовании биопотенциалов обусловлен:
1) разработкой микроэлектродного метода внутриклеточного измерения потенциалов;
2) созданием специальных усилителей биопотенциалов (УПТ);
3) выбором удачных объектов исследования крупных клеток и среди них гигантского аксона кальмара. Диаметр аксона кальмара достигает 0,5 мм, что в 100 - 1000 больше, чем диаметр аксонов позвоночных животных, в том числе человека. Гигантские размеры аксона имеют большое физиологическое значение -обеспечивают быструю передачу нервного импульса по нервному волокну.
Для биофизики гигантский аксон кальмара послужил великолепным модельным объектом для изучения биопотенциалов. В гигантский аксон кальмара можно ввести микроэлектрод, не нанеся аксону значительных повреждений.
Стеклянный микроэлектрод представляет собой стеклянную микропипетку с оттянутым очень тонким кончиком (рис.5.1).
Металлический электрод такой толщины пластичен и не может проколоть клеточную мембрану, кроме того он поляризуется. Для исключения поляризации электрода используются неполяризующиеся электроды, например серебряная проволока, покрытая солью AgCl В раствор КС1 или NaCl (желатинизированный агар-агаром), заполняющий микроэлектрод.
Второй электрод - электрод сравнения - располагается в растворе у наружной поверхности клетки. Регистрирующее устройство Р, содержащее усилитель постоянного тока, измеряет мембранный потенциал:
Рис.5.1 - Микроэлектродный метод измерения биопотенциалов
а - стеклянная микропипетка; б - стеклянный микроэлектрод;
в - схема регистрации мембранного потенциала
Микроэлектродный метод дал возможность измерить биопотенциалы не только на гигантском аксоне кальмара, но и на клетках нормальных размеров: нервных волокнах других животных, клетках скелетных мышц, клетках миокарда и других.
Мембранные потенциалы подразделяются на потенциалы покоя и потенциалы действия.
Потенциал покоя - стационарная разность электрических потенциалов, регистрируемая между внутренней и наружной поверхностями мембраны в невозбужденном состоянии.
Потенциал покоя определяется разной концентрацией ионов по разные стороны мембраны и диффузией ионов через мембрану.
Если концентрация какого-либо иона внутри клетки С вн отлична от концентрации этого иона снаружи С нар и мембрана проницаема для этого иона, возникает поток заряженных частиц через мембрану, вследствие чего нарушается электрическая нейтральность системы, образуется разность потенциалов внутри и снаружи клетки j м = j нар - j вн которая будет препятствовать дальнейшему перемещению ионов через мембрану. При установлении равновесия выравниваются значения электрохимических потенциалов по разные стороны мембраны: m вн = m нар .
Так как m = m 0 + RTlnC + ZFj, то
RTlnC вн + ZFj вн = RTlnC нар + ZFj нар
Отсюдалегко получить формулу Нернста для равновесного мембранного потенциала
j м = j нар - j вн = - RT/ZF´ln(C вн /С нар)
Если мембранный потенциал обусловлен переносом ионов К + ,для которого [К + ] вн > [К + ] нар и Z = +1, равновесный мембранный потенциал
Для ионов Na + : вн < нар, Z = +1,
Если в формуле Нернста перейти от натурального логарифма к десятичному, то для положительного одновалентного иона (Z = +1)
Примем температуру Т=300 К, тогда
Примем в формуле Нернста С вн /С нар ≈100, что по порядку величины соответствуют экспериментальным данным для калия:
lg , и мембранный потенциал
0,06∙2В = 0,12В = 120мВ,
что несколько больше модуля экспериментально измеренных значений потенциала покоя, и, пользуясь формулами электростатики, оценим, какое количество ионов должно перейти из цитоплазмы в неклеточную среду, чтобы создать такую разность потенциалов. Радиус клетки r = 10 мкм = 10 -5 м. Удельная электроемкость мембраны (электроемкость на единицу площади) С уд =10 -2 Ф/м 2 . Площадь мембраны 4πr 2 ≈ 4π∙10 -10 м 2 ≈10 -9 м 2 . Тогда электроемкость мембраны
C=C уд ∙S≈10 -2 ∙10 -9 м 2 .
Абсолютная величина заряда каждого знака на поверхности мембраны, если ее представить себе как конденсатор,
что соответствует
Объем клетки
Изменение концентрации ионов в клетке вследствие выхода из клетки 10 -17 моль ионов составит
Небольшое изменение концентрации по сравнению с изменением концентрации ионов калия внутри клетки, составляет всего 10 -4 % от концентрации калия внутри клетки. Таким образом, чтобы создать равновесный нернстовский мембранный потенциал, через мембрану должно пройти пренебрежимо малое количество ионов по сравнению с общим их количеством в клетке.
Таким образом, потенциал покоя на самом деле ближе к потенциалу, рассчитанному по формуле Нернста для К + .Вместе с тем, обращает на себя внимание значительное расхождение экспериментальных и теоретических значений. Причины расхождения в том, что не учтена проницаемость мембраны для других ионов. Одновременная диффузия через мембрану ионов К + , Na + и С1 - учитывается уравнением Гольдмана.
Уравнение Гольдмана можно вывести из уравнения Нернста-Планка.
Преобразуем это уравнение:
URT=D согласно соотношению Эйнштейна. Примем так называемое приближение постоянного поля Гольдмана. Будем считать напряженность электрического поля в мембране постоянной и равной среднему значению градиента потенциала:
где l – толщина мембраны.
Получим для плотности ионного потока через мембрану:
Обозначим Запишем
Разделим переменные:
Проинтегрируем левую часть дифференциального уравнения в пределах от 0 до 1, а правую от С нар =КС нар до С вн =КС вн (где К – коэффициент распределения)
После потенциирования
Выразим отсюда:
Учитывая, что , получим:
В стационарном случае, когда разность потенциалов - мембранный потенциал - тормозит дальнейший перенос ионов через мембрану, суммарный поток различных ионов становится равным нулю:
j K + + j Na + - j Cl - = 0
Перед j стоит знак минус, учитывающий отрицательный заряд иона хлора. Однако, так как в создании мембранного потенциала участвуют различные ионы, равновесие при этом не наступает, потоки различных ионов не равны нулю по отдельности. Если учесть только потоки j K + и j Na + , то j K+ +j Na+ =0 , или j K = - j Na + и, подставив, получим:
Поскольку,
Если учесть еще и поток ионов С1 - , то, повторив предыдущие рассуждения, можно получить уравнение для мембранного потенциала, созданного потоками через мембрану трех видов ионов, уравнение Гольдмана:
В числителе выражения, стоящего под знаком логарифма, представлены концентрации [К + ] ВН, BH , но [С1 - ] НАР , а в знаменателе - [К + ] НАР, H АР, но [С1 - ] ВН , так как ионы хлора отрицательно заряжены.
В состоянии покоя проницаемость мембраны для ионов К + значительно больше, чем для Na + , и больше, чем для С1 - :
P K >>P Na , P K >P Na .
Для аксона кальмара, например,
P K:P Na:P Cl =1:0,04:0,45.
Переписав уравнение Гольдмана в виде:
в случае, когда проницаемость мембраны для ионов натрия и хлора значительно меньше проницаемости для калия:
P Na << P K , P Cl << P K ,
Таким образом, уравнение Нернста - частный случай уравнения Гольдмана.
Мембранный потенциал, рассчитанный по уравнению Гольдмана, оказался по абсолютной величине меньше мембранного потенциала, рассчитанного по формуле Нернста» ближе к экспериментальным его значениям в крупных клетках. И формула Нернста, и уравнение Гольдмана не учитывают активного транспорта ионов через мембрану, наличия в мембранах электрогенных (вызывающих разделение зарядов, а следовательно и возникновение разности потенциалов) ионных насосов, играющих важную роль в поддержании ионного равновесия в мелких клетках. В цитоплазматической мембране работают К + -Nа + -АТФазы, перекачивающие калий внутрь клетки, а натрий из клетки. С учетом работы электрогенных ионных насосов для мембранного потенциала было получено уравнение Томаса:
где m - отношение количества ионов натрия к количеству ионов калия, перекачиваемых ионными насосами через мембрану. Чаще всего К + -Nа + -АТФаза работает в режиме, когда m = 3/2, m всегда больше 1. (Нет ионных насосов, перекачивающих Сl , поэтому в уравнении Томаса отсутствуют члены Р Сl [Сl - ].)
Коэффициент m > 1 усиливает вклад градиента концентрации калия в создание мембранного потенциала, поэтому мембранный потенциал, рассчитанный по Томасу, больше по абсолютной величине, чем мембранный потенциал, рассчитанный по Гольману, и дает совпадение с экспериментальными значениями для мелких клеток.
Нарушение биоэнергетических процессов в клетке и работы K + -Na + -АТФазы приводит к уменьшению |φ м |, в этом случае мембранный потенциал лучше описывается уравнением Гольдмана.
Повреждение клеточной мембраны приводит к повышению проницаемости клеточных мембран для всех ионов: к повышению и P к, и P Na , и P сl Вследствие уменьшение различия проницаемостей абсолютное значение мембранного потенциала |φ м | снижается.
Для сильно поврежденных клеток |φ м | еще меньше, но сохраняется отрицательный мембранный потенциал |φ м | за счет содержащихся в клетке полианионов - отрицательно заряженных белков, нуклеиновых кислот и других крупных молекул, не могущих проникнуть через мембрану (доннановский потенциал).
Потенциал действия
Посредством электрических нервных импульсов (потенциалов действия) в живом организме передается информация от рецепторов к нейронам мозга и от нейронов мозга к мышцам. Живой организм является полностью электрифицированной системой. Без электричества нет жизни.
Потенциал действия был открыт раньше потенциала покоя. Животное электричество известно давно. Разряды электрического угря (происходящие при напряжении до 600 В, с током около 60 А и длительностью порядка миллисекунды) использовались медициной еще в Древнем Риме для лечения подагры, головной боли, эпилепсии. Электрический нервный импульс открыл Луиджи Гальвани, профессор анатомии в г. Болонья. Результаты его электрофизиологических опытов изложены в книге "Трактат о силах электричества при мышечном движении" (1791 г.). Гальвани открыл, что мышечные сокращения конечностей препарированной лягушки могут вызваться электрическим импульсом и что сама живая система является источником электрического импульса. Великое открытие Гальвани сыграло выдающуюся роль в развитии физики, электротехники, электрохимии, физиологии, биофизикии и медицины. Однако, огромная популярность идей Гальвани привела к их профанациям, следы которых остались до нашего времени (гальванизация трупов, гальванизм прикосновений взглядов и т.д.), что вызывало недоверие к экспериментам Гальвани ученых-физиков. Младший современник Гальвани профессор физики Алессандро Вольта был яростым противником идеи животного электричества (за исключением особых случаев электрических рыб: электрического угря и электрического ската). В своих экспериментах он исключил биологический объект и показал, что электрический ток может быть получен при контакте набора металлов, разделенных электролитом (вольтов столб). Так был открыт химический источник тока (названный, однако, позже, в честь его научного противника гальваническим элементом).
В XIX веке утвердилось примитивное представление о распространении электрических токов по нервам, как по проводам. Однако Гельмгольцем (вторая половина XIX века) было показано, что скорость распространения нервного импульса составляет лишь 1-100 м/с, это значительно меньше, чем скорость распространения электрического импульса по проводам до 3 10 8 м/с. Поэтому к концу XIX века гипотеза электрической природы нервного импульса была отвергнута большинством физиологов. Было выдвинуто предположение о распространении по нервным волокнам химической реакции. На самом деле, как было показано позже, медленное распространение электрического нервного импульса связано с медленной перезарядкой конденсаторов, которые представляют собой клеточные мембраны, через большие сопротивления. Постоянная времени перезарядки мембраны τ= RC велика, так как велики емкость мембраны (С) и сопротивление R нервного волокна.
То, что нервный импульс представляет собой импульс электрического тока, было доказано лишь к середине 20-го века, в основном в работах английского физиолога А. Ходжкина и его сотрудников. В1963 году Ходжкину, Хаксли и Иклсу была присуждена Нобелевская премия по медицине "за оперирование нервных клеток".
Потенциалом действия (ПД) называется электрический импульс, обусловленный изменением ионной проницаемости мембраны и связанный с распространением по нервам и мышцам волны возбуждения.
Опыты по исследованию потенциала действия проведены (в основном Ходжкиным и его сотрудниками) на гигантских аксона кальмара методом микроэлектродов с использованием высокоомных измерителей напряжения, а также методом меченых атомов. На риспоказаны схема опытов и результаты исследований.
В опытах по исследованию потенциала действия использовали два микроэлектрода, введенных в аксон. На первый микроэлектрод подается импульс с амплитудой V от генератора Г прямоугольных импульсов, меняющий мембранный потенциал. Мембранный потенциал измеряется при помощи второго микроэлектрода высокоомным регистратором напряжения Р.
Рис.5.2 - Исследование потенциала действия:
а - схема опыта (Г - генератор импульсов, Р - регистратор напряжения); б - потенциал действия (φ п м - потенциал покоя, φ рев м - потенциал реверсии, φ д м - амплитуда потенциала действия, φ пор м – пороговый потенциал)
Возбуждающий импульс вызывает лишь на короткое время смещение мембранного потенциала, который быстро пропадает и восстанавливается потенциал покоя. В том случае, когда возбуждающий импульс смещается еще дальше в отрицательную сторону, он сопровождается гиперполяризацией мембраны. Также не формируется потенциал действия, когда возбуждающий импульс положительный (деполяризующий), но его амплитуда меньше порогового значения V nop . Однако, если амплитуда положительного, деполяризующего импульса окажется больше значения V nop , φ м становится больше φ пор м и в мембране развивается процесс, в результате которого происходит резкое повышение мембранного потенциала и мембранный потенциал φ м даже меняет свой знак - становится положительным (φ вн >φ нар).
Достигнув некоторого положительного значения φ рев - потенциала реверсии, мембранный потенциал возвращается к значению потенциала покоя φ п м, совершив нечто вроде затухающего колебания. В нервных волокнах и скелетных мышцах длительность потенциала действия около 1 мс (а в сердечной мышце около 300 мс. После снятия возбуждения еще в течение 1 -3 мс в мембране наблюдаются некоторые остаточные явления, во время которых мембрана рефрактерна (невозбудима).
Новый деполяризующий потенциал V > V nop может вызвать образование нового потенциала действия только после полного возвращения мембраны в состояние покоя. Причем амплитуда потенциала действия
не зависит от амплитуды деполяризующего потенциала (если только V > V nop). Если в покое мембрана поляризована (потенциал цитоплазмы отрицателен по отношению к внеклеточной среде), то при возбуждении происходит деполяризация мембраны (потенциал внутри клетки положителен) и после снятия возбуждения происходит реполяризация мембраны.
Характерные свойства потенциала действия:
1) наличие порогового значения деполяризующего потенциала;
2) закон "все или ничего", то есть, если деполяризующий потенциал больше порогового, развивается потенциал действия, амплитуда которого не зависит от амплитуды возбуждающего импульса и нет потенциала действия, если амплитуда деполяризующего потенциала меньше пороговой;
3) есть период рефрактерности, невозбудимости мембраны во время развития потенциала действия и остаточных явлений после снятия возбуждения;
4) в момент возбуждения резко уменьшается сопротивление мембраны (у аксона кальмара от 0,1 Ом м 2 в покое до 0,0025 Ом м 2 при возбуждении).
Если обратиться к данным для значений равновесных нернстовских потенциалов, созданных различными ионами, естественно предположить, что положительный потенциал реверсии имеет натриевую природу, поскольку именно диффузия натрия создает положительную разность потенциалов между внутренней и наружной поверхностями мембраны.
Можно менять амплитуду импульса потенциала действия, изменяя концентрацию натрия в наружной среде. При уменьшении наружной концентрации натрия амплитуда потенциала действия уменьшается, так как меняется потенциал реверсии. Если из окружающей клетку среды полностью удалить натрий, потенциал действия вообще не возникает.
Опыты, проведенные с радиоактивным изотопом натрия, позволили установить, что при возбуждении проницаемость для натрия резко возрастает. Если в состоянии покоя соотношение коэффициентов проницаемости мембраны аксона кальмара для разных ионов:
P K: P Na: P Cl = 1: 0,04: 0,45
то в состоянии возбуждения:
P K: P Na: P Cl = 1: 20: 0,45
то есть, по сравнению с невозбужденным состоянием, при возбуждении коэффициент проницаемости для натрия возрастает в 500 раз.
Расчеты мембранного потенциала реверсии по уравнению Гольдмана, если в него подставить значения проницаемостей мембраны для возбужденного состояния, совпадают с экспериментальными данными.
Возбуждение мембраны описывается уравнениями Ходжкина-Хаксли. Одно из уравнений Ходжкина-Хаксли имеет вид:
где I м - ток через мембрану, С м - емкость мембраны, ∑I i - сумма ионных токов через мембрану.
Электрический ток через мембрану складывается из ионных токов: ионов калия - I k + , натрия - I Na + и других ионов, в том числе Сl, так называемого тока утечки I k , а также емкостного тока. Емкостной ток обусловлен перезарядкой конденсатора, который представляет собой мембрана, перетеканием зарядов с одной ее поверхности на другую. Его величина определяется количеством заряда, перетекающего с одной обкладки на другую за единицу времени dq/dt, а поскольку заряд конденсатоpa q = С м ∆φ = С м φ м, то емкостной ток С М . Полный мембранный ток
Согласно теории Ходжкина-Хаксли, возбуждение элемента мембраны связано с изменениями проводимости мембраны для ионов Na + и К + : g K и g Na .
Проводимости мембраны сложным образом зависят от мембранного потенциала и времени.
Обнаружено, что, если поднять мембранный потенциал (φ м выше порогового, сначала течет ток внутрь клетки, а затем из клетки наружу).
В экспериментах, проведенных Ходжкиным, Хаксли, Бейкером, Шоу, было доказано, что фаза I мембранного тока связана с потоком ионов натрия из окружающей среды (где концентрация натрия больше) в клетку (где она меньше), а фаза II объясняется вытеканием ионов калия из клетки наружу.
В своих опытах Ходжкин и Хаксли изменяли ионный состав окружающего раствора. Было обнаружено, что, если снаружи убирали натрий, первая фаза мембранного тока (ток внутрь клетки) пропадала. Следовательно, на самом деле, первая фаза развития потенциала действия связана с увеличением проницаемости мембраны для ионов натрия. Поток положительных частиц в клетку приводит к деполяризации мембраны - внутренняя ее поверхность заряжается положительно по отношению к наружной.
Во второй фазе резко увеличивается проницаемость мембраны для калия и из клетки наружу выходят положительно заряженные ионы калия, в то время как натриевый ток уменьшается. Ионный механизм развития потенциала действия был окончательно доказан в решающем эксперименте Ходжкина, Бейкера и Шоу, в котором аксоплазму препарированного аксона заменили на наружный раствор, а ионный состав наружного раствора сделали таким же, как у нормальной аксоплазмы. При такой замене ионных составов изменила знак разность потенциалов на мембране. Теперь в покое внутренняя ее поверхность была заряжена положительно по отношению к наружной. А потенциал действия оказался отрицательным.
Выдвинута гипотеза, что селективное (избирательное) изменение ионной проницаемости возбужденной мембраны: сначала для Na + , а потом для К + - объясняется тем, что в мембране имеются специальные ионные каналы. Существуют отдельно натриевые и калиевые каналы, которые открываются и закрываются во время прохождения через данный участок мембраны нервного импульса. В первой фазе - открываются натриевые каналы, во второй фазе - калиевые. Соответственно, сначала закрываются натриевые каналы, а затем калиевые. Открывание и закрывание ионных каналов вызывается изменением мембранного потенциала.
Одно из доказательств наличия в мембране ионных каналов - существование веществ, блокирующих ионные потоки через мембрану. Так, содержащийся в рыбе фугу тетродотоксин блокирует поступление внутрь клетки натрия и, таким образом, нарушает передачу нервного импульса, что может привести к летальному исходу. Доказано, что тетродотоксин не влияет на проницаемость клетки для калия, значит, ионы натрия и калия на самом деле проходят через разные каналы. Из-за своего специфического строения молекулы тетродотоксина, по-видимому, застревают в натриевых каналах. Подсчитав число застрявших в мембране молекул тетродотоксина, удалось определить количество натриевых каналов. В разных нервных волокнах позвоночных оно было разным - от 3 до 75 каналов на один квадратный микрометр площади мембраны (для сравнения количество молекул фосфолипидов ≈ 2 10 6 1/мкм 2).
Был обнаружен и специфический ингибитор калиевых каналов - тетраэтиламмоний . Если обработать мембрану тетродотоксином, блокирующим натриевые каналы, в опытах с фиксацией мембранного потенциала пропадает первая фаза, а тетраэтиламмоний прекращающий перенос через мембрану калия, вызывает исчезновение второй фазы.
Таким образом, установлено, что формирование потенциала действия вызывается ионными потоками через мембрану: сначала ионов натрия внутрь клетки, а затем - ионов калия из клетки в наружный раствор, что связано с изменением проводимости мембраны для ионов калия и натрия.
text_fields
text_fields
arrow_upward
Мембранным потенциалом покоя (МПП) или потенциалом покоя (ПП) называют разность потенциалов покоящейся клетки между внутренней и наружной сторонами мембраны. Внутренняя сторона мембраны клетки заряжена отрицательно по отношению к наружной. Принимая потенциал наружного раствора за нуль, МПП записывают со знаком «минус». Величина МПП зависит от вида ткани и варьирует от -9 до -100 мв. Следовательно, в состоянии покоя клеточная мембрана поляризована. Уменьшение величины МПП называют деполяризацией, увеличение - гиперполяризацией, восстановление исходного значения МПП - ре поляризацией мембраны.
Основные положения мембранной теории происхождения МПП сводятся к следующему. В состоянии покоя клеточная мембрана хорошо проницаема для ионов К + (в ряде клеток и для СГ), менее проницаема для Na + и практически непроницаема для внутриклеточных белков и других органических ионов. Ионы К + диффундируют из клетки по концентрационному градиенту, а непроникающие анионы остаются в цитоплазме, обеспечивая появление разности потенциалов через мембрану.
Возникающая разность потенциалов препятствует выходу К + из клетки и при некотором ее значении наступает равновесие между выходом К + по концентрационному градиенту и входом этих катионов по возникшему электрическому градиенту. Мембранный потенциал, при котором достигается это равновесие, называется равновесным потенци алом. Его величина может быть рассчитана из уравнения Нернста:
где Е к - равновесный потенциал для К + ; R - газовая постоянная; Т - абсолютная температура; F - число Фарадея; п - валентность К + (+1), [К н + ] - [К + вн ] - наружная и внутренняя концентрации К + —
Если перейти от натуральных логарифмов к десятичным и подставить в уравнение числовые значения констант, то уравнение примет вид:
В спинальных нейронах (табл. 1.1) Е к = -90 мв. Величина МПП, измеренная с помощью микроэлектродов заметно ниже — 70 мв.
Таблица 1.1 . Концентрация некоторых ионов внутри и снаружи спинальных мотонейронов млекопитающих
| Ион |
Концентрация |
(ммоль/л Н 2 О) |
Разновесный потенциал (мв) |
|
внутри клетки |
снаружи клетки |
||
| Na + | 15,0 | 150,0 | |
| К + | 150,0 | 5,5 | |
| Сl — | 125,0 | ||
|
Мембранный потенциал покоя = -70 мв |
|||
Если мембранный потенциал клетки имеет калиевую природу, то, в соответствии с уравнением Нернста, его величина должна линейно снижаться с уменьшением концентрационного градиента этих ионов, например, при повышении концентрации К + во внеклеточной жидкости. Однако линейная зависимость величины МПП (Мембранный потенциал покоя) от градиента концентрации К + существует только при концентрации К + во внеклеточной жидкости выше 20 мМ. При меньших концентрациях К + снаружи клетки кривая зависимости Е м от логарифма отношения концентрации калия снаружи и внутри клетки отличается от теоретической. Объяснить установленные отклонения экспериментальной зависимости величины МПП и градиента концентрации К + теоретически рассчитанной по уравнению Нернста можно, допустив, что МПП возбудимых клеток определяется не только калиевым, но и натриевым, и хлорным равновесным потенциалами. Рассуждая аналогично с предыдущим, можно записать:
Величины натриевого и хлорного равновесных потенциалов для спинальных нейронов (табл. 1.1) равны соответственно +60 и -70 мв. Значение Е Cl равно величине МПП. Это свидетельствует о пассивном распределении ионов хлора через мембрану в соответстии с химическим и электрическим градиентами. Для ионов натрия химический и электрический градиенты направлены внутрь клетки.
Вклад каждого из равновесных потенциалов в величину МПП определяется соотношением между проницаемостью клеточной мембраны для каждого из этих ионов. Расчет величины мембранного потенциала производится с помощью уравнения Гольдмана:
Е m - мембранный потенциал; R - газовая постоянная; Т - абсолютная температура; F - число Фарадея; Р K , P Na и Р Cl - константы проницаемости мембраны для К + Na + и Сl, соответственно; [К + н ], [ K + вн , [ Na + н [ Na + вн ], [Сl — н ] и[Сl — вн ]- концентрации K + , Na + и Сl снаружи (н) и внутри (вн) клетки.
Подставляя в это уравнение полученные в экспериментальных исследованиях концентрации ионов и величину МПП, можно показать, что для гигантского аксона кальмара должно быть следующее соотношение констант проницаемости Р к: P Na: Р С1 = I: 0,04: 0,45. Очевидно, что, поскольку мембрана проницаема для ионов натрия (Р N a =/ 0) и равновесный потенциал для этих ионов имеет знак «плюс», то вход последних внутрь клетки по химическому и электрическому градиентам будет уменьшать электроотрицательность цитоплазмы, т.е. увеличивать МПП (Мембранный потенциал покоя).
При повышении концентрации ионов калия в наружном растворе выше 15 мМ МПП увеличивается и соотношение констант проницаемости меняется в сторону более значительного превышения» Р к над P Na и Р С1 . Р к: P Na: Р С1 = 1: 0.025: 0,4. В таких условиях МПП определяется почти исключительно градиентом ионов калия, поэтому экспериментальная и теоретическая зависимости величины МПП от логарифма отношения концентраций калия снаружи и внутри клетки начинают совпадать.
Таким образом, наличие стационарной разности потенциалов между цитоплазмой и наружной средой в покоящейся клетке обусловлено существующими концентрационными градиентами для К + , Na + и Сl и различной проницаемостью мембраны для этих ионов. Основную роль в генерации МПП играет диффузия ионов калия из клетки в наружный наствор. Наряду с этим, МПП определяется также натриевым и хлорным равновесными потенциалами и вклад каждого из них определяется отношениями между проницаемостями плазматической мембраны клетки для данных ионов.
Все факторы, перечисленные выше, составляют так называемую ионную компоненту МПП (Мембранный потенциал покоя). Поскольку, ни калиевый, ни натриевый равновесные потенциалы не равны МПП. клетка должна поглощать Na + и терять К + . Постоянство концентраций этих ионов в клетке поддерживается за счет работы Na + К + -АТФазы.
Однако роль этого ионного насоса не ограничивается поддержанием градиентов натрия и калия. Известно, что натриевый насос электрогенен и при его функционировании возникает чистый поток положительных зарядов из клетки во внеклеточную жидкость, обуславливающий увеличение электроотрицательности цитоплазмы по отношению к среде. Электрогенность натриевого насоса была выявлена в опытах на гигантских нейронах моллюска. Электрофорети-ческая инъекция ионов Na + в тело одиночного нейрона вызывала гиперполяризацию мембраны, во время которой МПП был значительно ниже величины калиевого равновесного потенциала. Указанная гиперполяризация ослаблялась при снижении температур раствора, в котором находилась клетка, и подавлялась специфическим ингибитором Na + , К + -АТФазы уабаином.
Из сказанного следует, что МПП может быть разделен на две компоненты - «ионную» и «метаболическую». Первая компонента зависит от концентрационных градиентов ионов и мембранных проницаемостей для них. Вторая, «метаболическая», обусловлена активным транспортом натрия и калия и оказывает двоякое влияние на МПП. С одной стороны, натриевый насос поддерживает концентрационные градиенты между цитоплазмой и внешней средой. С другой, будучи электрогенным, натриевый насос оказывает прямое влияние на МПП. Вклад его в величину МПП зависит от плотности «насосного» тока (ток на единицу плошади поверхности мембраны клетки) и сопротивления мембраны.
Мембранный потенциал действия
text_fields
text_fields
arrow_upward
Если на нерв или мышцу нанести раздражение выше порога возбуждения, то МПП нерва или мышцы быстро уменьшится и на короткий промежуток времени (миллисекунда) произойдет перезарядка мембраны: ее внутренняя сторона станет заряженной положительно относительно наружной. Это кратковременное изменение МПП, происходящее при возбуждении клетки, которое на экране осциллографа имеет форму одиночного пика, называется мембранным потенциалом действия (МПД).
МПД в нервной и мышечной тканях возникает при снижении абсолютной величины МПП (деполяризации мембраны) до некоторого критического значения, называемого порогом генерации МПД. В гигантских нервных волокнах кальмара МПД равен — 60 мВ. При деполяризации мембраны до -45 мВ (порог генерации МПД) возникает МПД (рис. 1.15).
Рис. 1.15 Потенциал действия нервного волокна (А) и изменение проводимости мембраны для ионов натрия и калия (Б).Во время возникновения МПД в аксоне кальмара сопротивление мембраны уменьшается в 25 раз, с 1000 до 40 Ом.см 2 , тогда как электрическая емкость не изменяется. Указанное снижение сопротивления мембраны обусловлено увеличением ионной проницаемости мембраны при возбуждении.
По своей амплитуде (100-120 мВ) МПД (Мембранный потенциал действия) на 20-50 мВ превышает величину МПП (Мембранный потенциал покоя). Другими словами, внутренняя сторона мембраны на короткое время становится заряженной положительно по отношению к наружной, - «овершут» или реверсия заряда.
Из уравнения Гольдмана следует, что лишь увеличение проницаемости мембраны для ионов натрия может привести к таким изменениям мебранного потенциала. Значение Е к всегда меньше, чем величина МПП, поэтому повышение проницаемости мембраны для К + будет увеличивать абсолютное значение МПП. Натриевый равновесный потенциал имеет знак «плюс», поэтому резкое увеличение проницаемости мембраны для этих катионов приводит к перезарядке мембраны.
Во время МПД увеличивается проницаемость мембраны для ионов натрия. Расчеты показали, что если в состоянии покоя соотношение констант проницаемости мембраны для К + , Na + и СГ равно 1:0,04:0,45, то при МПД — Р к: P Na: Р = 1: 20: 0,45. Следовательно, в состоянии возбуждения мембрана нервного волокна не просто утрачивает свою избирательную ионную проницаемость, а, напротив, из избирательно проницаемой в покое для ионов калия она становится избирательно проницаемой для ионов натрия. Увеличение натриевой проницаемости мембраны связано с открыванием потенциал-зависимых натриевых каналов.
Механизм, который обеспечивает открывание и закрывание ионных каналов, получил название ворот канала. Принято различать активационные (m) и инактивационные (h) ворота. Ионный канал может находиться в трех основных состояниях: закрытом (m-ворота закрыты; h-открыты), открытом (m- и h-ворота открыты) и инактивированном (m-ворота открыты, h- ворота закрыты) (рис 1.16).
Рис. 1.16 Схема положения активационных (m) и инактивационных (h) ворот натриевых каналов, соответствующие закрытому (покой, А), открытому (активация, Б) и инактивированному (В) состояниям.
Деполяризация мембраны, вызываемая раздражающим стимулом, например, электрическим током, открывает m-ворота натриевых каналов (переход из состояния А в Б) и обеспечивает появление направленного внутрь потока положительных зарядов - ионов натрия. Это ведет к дальнейшей деполяризации мембраны, что, в свою очередь, увеличивает число открытых натриевых каналов и, следовательно, повышает натриевую проницаемость мембраны. Возникает «регенеративная» деполяризация мембраны, в результате которой потенциал внутренней стороны мембраны стремится достичь величины натриевого равновесного потенциала.
Причиной прекращения роста МПД (Мембранный потенциал действия) и реполяризации мембраны клетки является:
а) Увеличение деполяризации мембраны, т.е. когда Е м -» E Na , в результате чего снижается электрохимический градиент для ионов натрия, равный Е м -> E Na . Другими словами, уменьшается сила, «толкающая» натрий внутрь клетки;
б) Деполяризация мембраны порождает процесс инактивации натриевых каналов (закрывание h-ворот; состояние В канала), который тормозит рост натриевой проницаемости мембраны и ведет к ее снижению;
в) Деполяризация мембраны увеличивает ее проницаемость для ионов калия. Выходящий калиевый ток стремится сместить мембранный потенциал в сторону калиевого равновесного потенциала.
Снижение электрохимического потенциала для ионов натрия и инактивация натриевых каналов уменьшает величину входящего натриевого тока. В определенный момент времени величина входящего тока натрия сравнивается с возросшим выходящим током - рост МПД прекращается. Когда суммарный выходящий ток превышает входящий, начинается реполяризация мембраны, которая также имеет регенеративный характер. Начавшаяся реполяризация ведет к закрыванию активационных ворот (m), что уменьшает натриевую проницаемость мембраны, ускоряет реполяризацию, а последняя увеличивает число закрытых каналов и т.д.
Фаза реполяризации МПД в некоторых клетках (например, в кардиомиоцитах и ряде гладкомышечных клеток) может замедляться, формируя плато ПД, обусловленное сложными изменениями во времени входящих и выходящих токов через мембрану. В последействии МПД может возникнуть гиперполяризация или/и деполяризация мембраны. Это так называемые следовые потенциалы. Следовая гиперполяризация имеет двоякую природу: ионную и метаболичес кую. Первая связана с тем, что калиевая проницаемость в нервном волокне мембраны остается некоторое время (десятки и даже сотни миллисекунд) повышенной после генерации МПД и смещает мембранный потенциал в сторону калиевого равновесного потенциала. Следовая гиперполяризация после ритмической стимуляции клеток связана преимущественно с активацией электрогенного натриевого насоса, вследствие накопления ионов натрия в клетке.
Причиной деполяризации, развивающейся после генерации МПД (Мембранный потенциал действия), является накопление ионов калия у наружной поверхности мембраны. Последнее, как это следует из уравнения Гольдмана, ведет к увеличению МПП (Мембранный потенциал покоя).
С инактивацией натриевых каналов связано важное свойство нервного волокна, называемое рефрактерностью .
Во время абсо лютного рефрактерного периода нервное волокно полностью утрачивает способность возбуждаться при действии раздражителя любой силы.
Относительная рефрактерность , следующая за абсолютной, характеризуется более высоким порогом возникновения МПД (Мембранный потенциал действия).
Представление о мембранных процессах, происходящих во время возбуждения нервного волокна, служит базой для понимания и явления аккомодации. В основе аккомодации ткани при малой крутизне нарастания раздражающего тока лежит повышение порога возбуждения, опережающее медленную деполяризацию мембраны. Повышение порога возбуждения почти целиком определяется инактивацией натриевых каналов. Роль повышения калиевой проницаемости мембраны в развитии аккомодации состоит в том, что оно приводит к падению сопротивления мембраны. Вследствие снижения сопротивления скорость деполяризации мембраны становится еще медленнее. Скорость аккомодации тем выше, чем большее число натриевых каналов при потенциале покоя находится в инактивированном состоянии, чем выше скорость развития инактивации и чем выше калиевая проницаемость мембраны.
Проведение возбуждения
text_fields
text_fields
arrow_upward
Проведение возбуждения по нервному волокну осуществляется за счет локальных токов между возбужденным и покоящимися участками мембраны. Последовательность событий в этом случае представляется в следующем виде.
При нанесении точечного раздражения на нервное волокно в соответствующем участке мембраны возникает потенциал действия. Внутренняя сторона мембраны в данной точке оказывается заряженной положительно по отношению к соседней, покоящейся. Между точками волокна, имеющими различный потенциал, возникает ток (локальный ток), направленный от возбужденного (знак (+) на внутренней стороне мембраны) к невозбужденному (знак (-) на внутренней стороне мембраны) к участку волокна. Этот ток оказывает деполяризующее влияние на мембрану волокна в покоящемся участке и при достижении критического уровня деполяризации мембраны в данном участке возникает МПД (Мембранный потенциал действия). Этот процесс последовательно распространяется по всем участкам нервного волокна.
В некоторых клетках (нейронах, гладких мышцах) МПД имеет не натриевую природу, а обусловлен входом ионов Ca 2+ по потенциал-зависимым кальциевым каналам. В кардиомиоцитах генерация МПД связана с входящими натриевым и натрий-кальциевым токами.
В 1786 году профессор анатомии Болонского университета Луиджи Гальвани провел ряд опытов, положивших начало целенаправленным исследованиям в области биоэлектрических явлений. В первом опыте он подвешивал препарат обнаженных лапок лягушки с помощью медного крючка на железной решетке, и обнаружил, что при каждом касании мышцами решетки, они сокращались. Гальвани предположил, что сокращения мышц вообще – следствие воздействия на них «животного электричества», источником которого являются нервы и мышцы. Однако, по мнению Вольта, причиной сокращения был электрический ток, возникший в области контакта разнородных металлов. Гальвани поставил второй опыт, в котором источником тока, действовавшего на мышцу, точно был нерв: мышца опять сокращалась. Таким образом, было получено точное доказательство существования «животного электричества».
Все клетки имеют свой электрический заряд, который формируется в результате неодинаковой проницаемости мембраны для различных ионов. Клетки возбудимых тканей (нервная, мышечная, железистая) отличаются тем, что они под действием раздражителя меняют проницаемость своей мембраны для ионов, в результате чего ионы очень быстро транспортируются согласно электрохимическому градиенту. Это и есть процесс возбуждения. Его основой является потенциал покоя.
Потенциал покоя
Потенциал покоя – относительно стабильная разность электрических потенциалов между наружной и внутренней сторонами клеточной мембраны. Его величина обычно варьирует в пределах от -30 до -90 мВ. Внутренняя сторона мембраны в покое заряжена отрицательно, а наружная – положительно из-за неодинаковых концентраций катионов и анионов внутри и вне клетки.
Внутри- и внеклеточные концентрации ионов (ммоль/л) в мышечных клетках теплокровных животных
В нервных клетках похожая картина. Таким образом, видно, что основную роль в создании отрицательного заряда внутри клетки играют ионы K + и высокомолекулярные внутриклеточные анионы, главным образом они представлены белковыми молекулами с отрицательно заряженными аминокислотами (глутамат, аспартат) и органическими фосфатами. Эти анионы, как правило, не могут транспортироваться через мембрану, создавая постоянный отрицательный внутриклеточный заряд. Во всех точках клетки отрицательный заряд практически одинаков. Заряд внутри клетки является отрицательным как абсолютно (в цитоплазме анионов больше, чем катионов), так и относительно наружной поверхности клеточной мембраны. Абсолютная разность невелика, однако этого достаточно для создания электрического градиента.
Главным ионом, обеспечивающим формирование потенциала покоя (ПП), является K + . В покоящейся клетке устанавливается динамическое равновесие между числом входящих и выходящих ионовK + . Это равновесие устанавливается тогда, когда электрический градиент уравновесит концентрационный. Согласно концентрационному градиенту, создаваемому ионными насосами, K + стремится выйти из клетки, однако отрицательный заряд внутри клетки и положительный заряд наружной поверхности клеточной мембраны препятствуют этому (электрический градиент). В случае равновесия на клеточной мембране устанавливается равновесный калиевый потенциал.
Равновесный потенциал для каждого иона можно рассчитать по формуле Нернста:
E ion =RT/ZF·ln( o / i),
где E ion - потенциал, создаваемый данным ионом;
R – универсальная газовая постоянная;
Т – абсолютная температура (273+37°С);
Z – валентность иона;
F – постоянная Фарадея (9,65·10 4);
O – концентрация иона во внешней среде;
I - концентрация иона внутри клетки.
При температуре 37°С равновесный потенциал для K + равен -97мВ. Однако реальный ПП меньше – около -90 мВ. Это объясняется тем, что в формирование ПП свой вклад вносят и другие ионы. В целом ПП – это алгебраическая сумма равновесных потенциалов всех ионов, находящихся внутри и вне клетки, включающий также значения поверхностных зарядов самой клеточной мембраны.
Вклад Na + и Cl - в создание ПП невелик, но, тем не менее, он имеет место. В покое вход Na + в клетку низкий (намного ниже, чем K +), но он уменьшает мембранный потенциал. Влияние Cl - противоположно, так как это анион. Отрицательный внутриклеточный заряд не позволяет большому количеству Cl - проникнуть в клетку, поэтому Cl - это в основном внеклеточный анион. Как внутри клетки, так и вне ееNa + и Cl - нейтрализуют друг друга, вследствие чего их совместное поступление в клетку не оказывает существенного влияния на величину ПП.
Наружная и внутренняя стороны мембраны несут на себе собственные электрические заряды, преимущественно с отрицательным знаком. Это полярные составляющие мембранных молекул – гликолипидов, фосфолипидов, гликопротеинов. Ca 2+ , как внеклеточный катион, взаимодействует с наружными фиксированными отрицательными зарядами, а также с отрицательными карбоксильными группами интерстиция, нейтрализуя их, что приводит к увеличению и стабилизации ПП.
Для создания и поддержания электрохимических градиентов необходима постоянная работа ионных насосов. Ионный насос – это транспортная система, обеспечивающая перенос иона вопреки электрохимическому градиенту, с непосредственными затратами энергии. Градиенты Na + и K + поддерживаются с помощью Na/K – насоса. Сопряженность транспорта Na + и K + примерно в 2 раза уменьшает энергозатраты. В целом же траты энергии на активный транспорт огромны: лишь Na/K – насос потребляет около 1/3 всей энергии, расходуемой организмом в покое. 1АТФ обеспечивает один цикл работы – перенос 3Na + из клетки, и 2 K + в клетку. Асимметричный перенос ионов способствует заодно формированию и электрического градиента (примерно 5 – 10мВ).
Нормальная величина ПП является необходимым условием возникновения возбуждения клетки, т.е. распространения потенциала действия, инициирующего специфическую деятельность клетки.
Потенциал действия (ПД)
ПД – это электрофизиологический процесс, выражающийся в быстром колебании мембранного потенциала, вследствие специфического перемещения ионов и способный распространяться без декремента на большие расстояния. Амплитуда ПД колеблется в пределах 80 – 130 мВ, длительность пика ПД в нервном волокне – 0,5 – 1 мс. Амплитуда потенциала действия не зависит от силы раздражителя. ПД либо совсем не возникает, если раздражение подпороговое, либо достигает максимальной величины, если раздражение пороговое или сверхпороговое. Главным в возникновении ПД является быстрый транспорт Na + внутрь клетки, что способствует вначале снижению мембранного потенциала, а затем – изменению отрицательного заряда внутри клетки на положительный.
В составе ПД различают 3 фазы: деполяризацию, инверсию, и реполяризацию.
1. Фаза деполяризации . При действии на клетку деполяризующего раздражителя начальная частичная деполяризация происходит без изменения ее проницаемости для ионов (не происходит движение Na + внутрь клетки, т. к. закрыты быстрые потенциалчувствительные каналы для Na +). Na + - каналы обладают регулируемым воротным механизмом, который расположен на внутренней и внешней сторонах мембраны. Имеются активационные ворота (m – ворота) и инактивационные (h – ворота). В покое m – ворота закрыты, а h – ворота открыты. В мембране также имеются K + - каналы, имеющие только одни ворота (активационные), закрытые в покое.
Когда деполяризация клетки достигает критической величины (Е кр – критический уровень деполяризации, КУД), которая обычно равна 50мВ, проницаемость для Na + резко возрастает – открывается большое количество потенциалзависимых m – ворот Na + - каналов. За 1 мс через 1 открытый Na + - канал в клетку попадает до 6000 ионов. Развивающаяся деполяризация мембраны вызывает дополнительное увеличение ее проницаемости для Na + , открываются все новые и новые m - ворота Na + - каналы, так что ток Na + имеет характер регенеративного процесса (сам себя усиливает). Как только ПП становится равным нулю, фаза деполяризации заканчивается.
2.Фаза инверсии. Вход Na + в клетку продолжается, т. к. m - ворота Na + - каналы еще открыты, поэтому внутри клетки заряд становится положительным, а снаружи – отрицательным. Теперь электрический градиент препятствует входу Na + в клетку, однако, из-за того, что концентрационный градиент сильнее электрического, Na + все же проходит в клетку. В тот момент, когда ПД достигает максимального значения, происходит закрытие h – ворот Na + - каналов (эти ворота чувствительны к величине положительного заряда в клетке) и поступление Na + в клетку прекращается. Одновременно открываются ворота K + - каналов. K + транспортируется из клетки согласно химическому градиенту (на нисходящей фазе инверсии – еще и по электрическому градиенту). Выход положительных зарядов из клетки приводит к уменьшению ее заряда. K + с небольшой скоростью может выходить из клетки также через неуправляемые K + - каналы, которые всегда открыты. Все рассмотренные процессы являются регенеративными. Амплитуда ПД складывается из величины ПП и величины фазы инверсии. Фаза инверсии заканчивается, когда электрический потенциал снова становится равным нулю.
3.Фаза реполяризации. Связана с тем, что проницаемость мембраны для K + еще высока, и он выходит из клетки по градиенту концентрации, несмотря на противодействие электрического градиента (клетка внутри снова имеет отрицательный заряд). Выходом K + обусловлена вся нисходящая часть пика ПД. Нередко в конце ПД наблюдается замедление реполяризации, кто связано с закрытием значительной части ворот K + - каналов, а также – с возрастанием противоположно направленного электрического градиента.
Мембранный потенциал (МП) представляет собой разность потенциалов между наружной и внутренней поверхностями мембраны возбудимой клетки в условиях ее покоя. В среднем у клеток возбудимых тканей МП достигает 50 – 80 мВ, со знаком минус внутри клетки. Исследование природы мембранного потенциала показало, что во всех возбудимых клетках (нейроны, мышечные волокна, миокардиоциты, гладкомышечные клетки) его наличие обусловлено преимущественно ионами К+. Как известно, в возбудимых клетках за счет работы Na-K-насоса концентрация ионов К+ в цитоплазме в условиях покоя поддерживается на уровне 150 мМ, в то время как во внеклеточной среде концентрация этого иона обычно не превышает 4 – 5 мМ. Это означает, что внутриклеточная концентрация ионов К+ в 30 – 37 раз выше, чем внеклеточная. Поэтому по градиенту концентрации ионы К+ стремятся выйти из клетки во внеклеточную среду. В условиях покоя, действительно, существует выходящий из клетки поток ионов К+, при этом диффузия осуществляется по калиевым каналам, большая часть которых открыта. В результате того, что мембрана возбудимых клеток непроницаема для внутриклеточных анионов (глутамата, аспартата, органических фосфатов), на внутренней поверхности мембраны клетки вследствие выхода ионов К+ образуется избыток отрицательно заряженных частиц, а на наружной – избыток положительно заряженных частиц. Возникает разность потенциалов, т. е. мембранный потенциал, который препятствует чрезмерному выходу ионов К+ из клетки. При некотором значении МП наступает равновесие между выходом ионов К+ по концентрационному градиенту и входом (возвратом) этих ионов по возникшему электрическому градиенту. Мембранный потенциал, при котором достигается это равновесие, получил название равновесного потенциала. Помимо ионов К+ определенный вклад в создание мембранного потенциала вносят ионы Na+ и Сl. В частности, известно, что концентрация ионов Na+ во внеклеточной среде в 10 раз больше, чем внутри клетки (140 мМ против 14 мМ). Поэтому ионы Na+ в условиях покоя стремятся войти в клетку. Однако основная часть натриевых каналов в условиях покоя закрыта (относительная проницаемость для ионов Na+, судя по экспериментальным данным, полученным на гигантском аксоне кальмара, в 25 раз ниже, чем для ионов К+). Поэтому в клетку входит лишь небольшой поток ионов Na+. Но и этого достаточно, чтобы хотя бы частично компенсировать избыток анионов внутри клетки. Концентрация ионов Сl- во внеклеточной среде также выше, чем внутри клетки (125 мМ против 9 мМ), и поэтому эти анионы также стремятся войти в клетку, очевидно, по хлорным каналам.
Мембранный потенциал
Мембранный потенциал покоя крупных нервных волокон, когда по ним не проводятся нервные сигналы, составляет около -90 мВ. Это значит, что потенциал внутри волокна на 90 мВ отрицательнее, чем потенциал внеклеточной жидкости снаружи волокна. Далее мы объясним все факторы, определяющие уровень этого потенциала покоя, но прежде необходимо описать транспортные свойства мембраны нервного волокна для ионов натрия и калия в условиях покоя. Активный транспорт ионов натрия и калия через мембрану. Натрий-калиевый насос. Вспомним, что все клеточные мембраны организма имеют мощный Na+/K+-Hacoc, постоянно выкачивающий ионы натрия наружу клетки и закачивающий внутрь нее ионы калия. Это электрогенный насос, поскольку положительных зарядов наружу перекачивается больше, чем внутрь (3 иона натрия на каждые 2 иона калия, соответственно). В результате внутри клетки создается общий дефицит положительных ионов, ведущий к отрицательному потенциалу с внутренней стороны клеточной мембраны. Na+/K+-Hacoc создает также большой градиент концентрации для натрия и калия через мембрану нервного волокна в покое: Na+ (снаружи): 142 мэкв/л Na+ (внутри): 14 мэкв/л К+ (снаружи): 4 мэкв/л К+ (внутри): 140 мэкв/л Соответственно, отношение концентраций двух ионов внутри и снаружи составляет: Na внутри / Na снаружи - 0,1 К внутри / -К снаружи = 35,0
Утечка калия и натрия через мембрану нервного волокна. На рисунке показан канальный белок в мембране нервного волокна, называемый каналом калий-натриевой утечки, через который могут проходить ионы калия и натрия. Особенно существенна утечка калия, поскольку каналы более проницаемы для ионов калия, чем натрия (в норме примерно в 100 раз). Как обсуждается далее, это различие в проницаемости чрезвычайно важно для определения уровня нормального мембранного потенциала покоя.
Таким образом, основными ионами, определяющими величину МП, являются ионы К+, покидающие клетку. Ионы Na+, входящие в клетку в небольших количествах, частично уменьшают величину МП, а ионы Сl-, также входящие в клетку в условиях покоя, в определенной степени компенсируют это влияние ионов Na+. Кстати, в многочисленных экспериментах с различными возбудимыми клетками установлено, что чем выше проницаемость клеточной мембраны для ионов Na+ в условиях покоя, тем ниже величина МП. Для того чтобы МП поддерживался на постоянном уровне, необходимо поддержание ионной асимметрии. Для этого, в частности, служат ионные насосы (Na-K-насос, а также, вероятно, Сl-насос) которые восстанавливают ионную асимметрию, особенно после акта возбуждения. Так как этот вид транспорта ионов активный, т. е. требующий затраты энергии, то для поддержания мембранного потенциала клетки необходимо постоянное наличие АТФ.
Природа потенциала действия
Потенциал действия (ПД) представляет собой кратковременное изменение разности потенциалов между наружной и внутренней поверхностями мембраны (или между двумя точками ткани), которое возникает в момент возбуждения. При регистрации потенциала действия нейронов с помощью микроэлектродной тех наблюдается типичный пикообразный потенциал. В упрощенном виде при возникновении ПД можно выделить следующие фазы: начальный этап деполяризации, затем быстрое снижение мембранного потенциала до нуля и перезарядка мембраны, далее происходит восстановление исходного уровня мембранного потенциала (реполяризация). Основную роль в этих процессах играют ионы Na+, деполяризация вначале обусловлена незначительным повышением проницаемости мембраны для ионов Na+. Но чем выше степень деполяризации, тем выше становится проницаемость натриевых каналов, тем больше ионов натрия входит в клетку и тем выше степень деполяризации. В этот период происходит не только снижение разности потенциалов до нуля, но и изменение поляризованности мембраны – на высоте пика ПД внутренняя поверхность мембраны заряжена положительно по отношению к наружной. Процессы реполяризации связаны с увеличением выхода из клетки ионов К+ через открывшиеся каналы. В целом, необходимо отметить, что генерация потенциала действия – это сложный процесс, в основе которого лежит скоординированное изменение проницаемости плазматической мембраны для двух или трех основных ионов (Na+, К+ и Са++). Основным условием возбуждения возбудимой клетки является снижение ее мембранного потенциала до критического уровня деполяризации (КУД). Любой раздражитель, или агент, способный снизить мембранный потенциал возбудимой клетки до критического уровня деполяризации, способен возбудить эту клетку. Как только МП достигнет уровня КУД, процесс будет продолжаться самостоятельно и приведет к открытию всех натриевых каналов, т. е. к генерации полноценного ПД. Если мембранный потенциал не достигнет этого уровня, то в лучшем случае возникнет так называемый местный потенциал (локальный ответ).
В ряде возбудимых тканей величина мембранного потенциала по времени непостоянна – периодически она снижается (т. е. возникает спонтанная деполяризация) и самостоятельно достигает КУД, в результате чего возникает спонтанное возбуждение, после которого мембранный потенциал восстанавливается до исходного уровня, а затем цикл повторяется. Это свойство получило название автоматии. Однако для возбуждения большинства возбудимых клеток необходимо наличие внешнего (по отношению к этим клеткам) раздражителя.
