Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Потенциал действия

При раздражении возбудимой клетки раздражителем достаточной (пороговой) силы и длительности мембранный потенциал покоя уменьшается до нуля и даже превышает ноль на 40-50 мВ. Этот потенциал называется потенциалом действия (ПД) и рассчитывается как арифметическая сумма между потенциалом покоя и превышением над нулем (овершут от overshoot, англ. – перелёт), т.е. он равен 120-130 мВ. Согласно мембранно-ионной теории при возникновении ПД мембрана изменяет свою проницаемость, она увеличивается для ионов Na⁺ в несколько сотен раз. Проницаемость К⁺, Na⁺ и Cl^- соответственно составляет 1:20:0,45. Активатором деятельности потенциалзависимых Na⁺-каналов является изменение ПП. Ионы Na⁺ по химическому градиенту, а также благодаря электростатическим силам притяжения устремляются внутрь до полной деполяризации мембраны (т.е. до исчезновения ПП, т.е. до нуля), а затем происходит инверсия (inversio, лат. – переворачивание) потенциала – он становится положительным, и устанавливается новое электрохимическое равновесие. Если рассчитать натриевый равновесный потенциал по формуле Нернста, то он будет равен +50 мВ. Величина инверсии потенциала приближается к значению натриевого равновесного потенциала. Это означает, что ПД своим происхождением обязан ионам Na⁺. Экспериментальным подтверждением этого является факт исчезновения ПД при помещении нервного волокна в безнатриевую среду.

Структура потенциала действия, характеристика его фаз, механизм их происхождения.
Потенциал действия – это комплекс быстрых, кратковременных электрических колебаний, для регистрации которого нужен катодный осциллограф и широкополосный усилитель. Именно ПД обеспечивает возникновение специфической реакции возбудимой ткани: для мышечной ткани – сокращение, для железистой – выделение секрета, для нервных волокон – проведение нервного импульса.
Классические исследования на гигантском аксоне кальмара с внутриклеточным раздражением и внутриклеточным отведением потенциала показало, что в ПД можно выделить пик (спайк) (spike, англ. – вершина, острие) и следовые потенциалы (рис. 2). Пик ПД продолжается от 0,5 до 3 мс и состоит из следующих фаз.
Восходящая часть ПД называется фазой деполяризации и состоит из быстрой деполяризации и инверсии потенциала (овершута). При быстрой деполяризации происходит быстрое снижение мембранного потенциала (он становится менее отрицательным, чем в покое) от величины критического уровня деполяризации (КУД) до нуля. КУД – это уровень деполяризации мембраны, с которого возникает потенциал действия. Величина мембранного потенциала на этом уровне обозначается Е_к, а разность между мембранным потенциалом покоя (Е₀) и Е_к называется порогом деполяризации (∆V). Механизм ПД: лавинообразное пассивное (по концентрационному градиенту) поступление Na⁺ в клетку через потенциалзависимые натриевые каналы в результате резкого повышения проницаемости мембраны для Na⁺ (по причине быстрого конформационного изменения m-ворот каналов), которое превышает медленно увеличивающуюся проницаемость мембраны для К⁺. В каждом одиночном натриевом канале регистрируется короткий импульс тока маленькой амплитуды (+2 нА). Эти токи суммируются, формируя сдвиг потенциала на мембране. При этом отмечается медленное увеличение поступления в клетку Са⁺⁺.

Рис.2. Динамика развития потенциала действия нервного волокна (А) в сопоставлении с движением натрия и калия через мембрану (Б).

Инверсия потенциала, т.е. увеличение величины мембранного потенциала с обратным знаком (т.е. положительный заряд внутренней поверхности мембраны и, соответственно, отрицательный заряд наружной поверхности увеличивается на 20-50 мВ). Механизм: продолжается лавинообразное пассивное поступление Na⁺ в клетку, медленное увеличение поступления К+ из клетки и увеличение транспорта Са⁺⁺ в клетку.
Фаза реполяризации (возврата состояния мембраны к исходному состоянию) состоит из реверсии потенциала и быстрой реполяризации. Фаза реполяризации продолжительнее фазы деполяризации.
При реверсии (reversio, лат. – возврат) потенциала действия наблюдается уменьшение мембранного потенциала от положительного значения до нуля. Механизм: развивается натриевая инактивация, т.е. ток ионов Na⁺ уменьшается, при этом увеличивается проницаемость мембраны для К⁺.
Быстрая реполяризация – это нисходящая крутая часть кривой ПД. В это время мембранный потенциал быстро увеличивается, но часто не достигает значений КУД. Механизм: в это время увеличивается проницаемость мембраны для К⁺, и ток К⁺ из клетки достигает максимума. Одновременно продолжает снижаться поток Na⁺ в клетку, однако он сохраняется выше нормы. В этот период активируется работа К-Na насоса, в результате чего избыток Na⁺ выводится из клетки, а К⁺, наоборот, поступает в клетку.
Изменение проницаемости мембраны и потоков К⁺ и Na⁺ связаны с работой селективных каналов мембраны. В настоящее время хорошо изучен механизм работы потенциалзависимого натриевого канала. Натриевый канал состоит из гликопротеина с молекулярной массой около 300000 Д. Различные типы мембран содержат от 1 до 50 таких каналов на площади в 1 мкм². Натриевый канал имеет устье, селективный фильтр (суженная часть канала) и воротный механизм, состоящий из активационных (m) ворот и инактивационных (h) ворот. Ворота представляют молекулы белка, их электрические диполи (также как и магнитные диполи) ориентируются вдоль силовых линий электрического поля мембраны. При этом меняется конформация белка, m-ворота открываются и канал активируется. Внутренняя поверхность натриевого канала имеет значительный отрицательный заряд.
Натриевый канал может быть в трёх состояниях (рис.3):
1) состояние покоя – канал закрыт: «m»-ворота закрыты, «h»-ворота открыты;
2) активация канала при деполяризации – канал открыт: быстро (щелчком) открываются «m»-ворота, «h»-ворота продолжают оставаться открытыми, через канал проходит примерно 6000 ионов Na⁺ за 1 мс;

Рис.3. Схематическое изображение работы воротного механизма натриевого канала.

3) инактивация канала при реполяризации: закрываются «h»-ворота (медленно, через несколько миллисекунд после открытия «m»-ворот); «m»-ворота продолжают оставаться открытыми.
После реполяризации инактивация Na-канала устраняется и он возвращается в состояние покоя.
Кроме процесса инактивации натриевых каналов, в фазу реполяризации увеличивается движение ионов К⁺ из клетки и включается механизм активного удаления вошедших при возбуждении ионов Na с помощью специального Na-К-насоса.
Что касается калиевых каналов, то они имеют меньший диаметр, не имеют отрицательного заряда, имеют только активационные ворота. У них нет процесса инактивации, они могут быть либо в состоянии покоя, либо активации. В период открытого состояния калиевый канал часто на короткое время закрывается, т.е. происходят быстрые осцилляции между закрытым и открытым состоянием.
Есть ещё особые калиевые каналы, которые активируются повышением внутриклеточной концентрации Са⁺⁺ и повышением деполяризации мембраны, их активация ускоряет реполяризацию и восстановление потенциала покоя. Са⁺⁺ каналы важны для сердечной мышцы и будут рассмотрены в лекции по физиологии сердца.
За пиком потенциала следуют следовые потенциалы, которые бывают отрицательными и положительными. Амплитуда этих потенциалов не превышает нескольких милливольт, а длительность варьирует от нескольких до сотен миллисекунд. Следовые потенциалы связаны с восстановительными процессами в тканях, которые медленно развиваются после возбуждения.
Отрицательный следовой потенциал – это нисходящая пологая часть ПД (рис.2), характеризуется медленным процессом реполяризации и, соответственно, медленным увеличением мембранного потенциала до исходного уровня. Его длительность примерно 15 мс. Механизм: происходит постепенное уменьшение выхода К⁺ из клетки, поток Na⁺ в клетку продолжает снижаться, приближаясь к исходному уровню, но остается выше него. Отрицательный следовой потенциал характерен для скелетного мышечного волокна.
Положительный следовой потенциал (следовая гиперполяризация). В это время величина мембранного потенциала возрастает больше исходного уровня – примерно до -100 мВ. Его длительность от 70 до 300 мс. Механизм: ионный ток Na⁺ нормализуется, выход К⁺ из клетки уменьшается, но