Мембранный потенциал действия

А. Характеристика ПД. ПД - электрический процесс, выражаю­щийся в быстром колебании мембранного потенциала вследствие пе­ремещения ионов в клетку и т клетки и способный распространять­ся без затухания (без декремента). Он обеспечивает передачу сигна­лов между нервными клетками, между нервными центрами и рабочими органами, в мышцах - процесс электромеханического сопряжения (рис. 3.3, а).

Величина ПД нейрона колеблется в пределах 80-110 мВ, дли­тельность пика ПД нервного волокна составляет 0,5-1 мс. Ампли­туда ПД не зависит от силы раздражения, она всегда максимальна для данной клетки в конкретных условиях: ПД подчиняется закону «все или ничего», но не подчиняется закону силовых отношений -закону силы. ПД либо совсем не возникает на раздражение клетки, если оно мало, либо он максимальной величины, если раздражение является пороговым или сверхпороговым. Следует отметить, что слабое (подпороговое) раздражение может вызвать локальный потенциал. Он подчиняется закону силы: с увеличением силы стимула величина его возрастает (подробнее см. раздел 3.6). В составе ПД различают три фазы: 1 фаза - деполяризация, т.е. исчезновение заряда клетки - уменьшение мембранного потен­циала до нуля; 2 фаза - инверсия, изменение заряда клетки на об­ратный, когда внутренняя сторона мембраны клетки заряжается положительно, а внешняя - отрицательно (от лат. туегзю - перево­рачивание); 3 фаза - реполяризация, восстановление исходного за­ряда клетки, когда внутренняя поверхность клеточной мембраны снова заряжается отрицательно, а наружная - положительно.

Б. Механизм возникновения ПД. Если действие раздражителя на клеточную мембрану приводит к возникновению ПД, далее сам процесс развития ПД вызывают фазовые изменения прони­цаемости клеточной мембраны, что обеспечивает быстрое движе­ние иона Ка⁺ в клетку, а иона К⁺ — из клетки. Величина мембранного потенциала при этом сначала уменьшается, а затем снова восстанавливается до исходного уровня. На экране осциллографа отмеченные изменения мембранного потенциала предстают в ви­де пикового потенциала - ПД. Он возникает вследствие накоп­ленных и поддерживаемых ионными насосами градиентов кон­центраций ионов внутри и вне клетки, т.е. за счет потенциальной энергии в виде электрохимических градиентов разных ионов. Ес­ли заблокировать процесс выработки энергии, то ПД некоторый период времени будут возникать, но после исчезновения градиен­тов концентраций ионов (устранение потенциальной энергии) клетка генерировать ПД не будет. Рассмотрим фазы ПД.

Рис. 3.3. Схема, отражающая процесс возбуждения. а - потенциал действия, его фазы: 1 - деполяризация, 2 - инверсия (овершут), 3 - реполяризация, 4 — следовая гиперполяризация; б - натриевые ворота; (Ь-1 - в состоянии покоя клетки); в - калиевые ворота (1 - в состоянии покоя клетки). Знаки плюс (+) и минус (-) - знаки заряда внутри и вне клетки в различные фазы ПД. (См. пояснения в тексте.) Существует много различных названий фаз ПД (единого мнения не сложилось): 1) ме­стное возбуждение - пик ПД - следовые потенциалы; 2) фаза нарастания - фаза спада -следовые потенциалы; 3) деполяризация - овершут (перехлест, превышение, перелет), причем эта фаза в свою очередь делится на две част: восходящая (инверсия, ОТ лат. шуегяю - переворачивание) н нисходящая (реверсия, от лат. геуегзю - возврат) - реполя-рнзапия. Имеются и другие названия.

Отметим одно противоречие: термины «реполяризация» и «реверсия» но смыслу одинаковы - возврат к предыдущему состоя­нию, но эти состояния различны: в одном случае заряд исчезает (реверсия), в другом -восстанавливается (реполяршация). Наиболее корректны тс названия фаз ПД, в которых заложена общая идея, например изменение заряда клетки. В этой связи обоснованно ис­пользовать следующие названия фаз ПД:!) фаза деполяризации - процесс исчезновения заряда клетки до нуля; 2) фаза инверсии - изменение заряда клетки на противоположный. т. е. весь период ПД, когда внутри клетки заряд положительный, а снаружи - отрицатель­ный; 3) фаза реполярпзацин - восстановление заряда клетки до исходной величины (возврат к потенциалу покоя).

1. Фаза деполяризации (см. рис. 3.3, а, 1). При действии депо­ляризующего раздражителя на клетку (медиатор, электрический ток) вначале уменьшение мембранного потенциала (частичная деполяризация) происходит без изменения проницаемости мем­браны для ионов. Когда деполяризация достигает примерно 50% пороговой величины (порогового потенциала), возрастает проницаемость ее мембраны для иона Ка⁺, причем в первый мо­мент сравнительно медленно. Естественно, что скорость входа ионов Ка* в клетку при этом невелика. В этот период, как и во время всей фазы деполяризации, движущей силой, обеспечи­вающей вход иона Na⁺ в клетку, являются концентрационный и электрический градиенты. Напомним, что клетка внутри заря­жена отрицательно (разноименные заряды притягиваются друг к другу), а концентрация ионов Na+ вне клетки в 10-12 раз боль­ше, чем внутри клетки. При возбуждении нейрона повышается проницаемость его мембраны и для ионов Са+, но его ток в клетку значительно меньше, чем ионов Nа⁺. Условием, обеспе­чивающим вход иона Nа⁺ в клетку и последующий выход иона К* из клетки, является увеличение проницаемости клеточной мембраны, которая определяется состоянием воротного меха­низма ионных Nа- и К-каналов. Длительность пребывания электроуправляемого канала в открытом состоянии носит вероятно­стный характер и зависит от величины мембранного потенциа­ла. Суммарный ток ионов в любой момент определяется числом открытых каналов клеточной мембраны. Воротный механизм ^-каналов расположен на внешней стороне клеточной мембра­ны (Na+ движется внутрь клетки), воротный механизм К-каналов -на внутренней (К⁺ движется из клетки наружу).

Активация Nа- и К-каналов (открытие ворот) обеспечивается уменьшением мембранного потенциала, Когда деполяризация клетки достигает критической величины (E_kp, критический уро­вень деполяризации - КУД), которая обычно составляет -50 мВ (возможны и другие величины), проницаемость мембраны для ионов Nа⁺ резко возрастает - открывается большое число по-тенциалзависимых ворот Nа-каналов и ионы Nа⁺ лавиной уст­ремляются в клетку. В результате интенсивного тока ионов Nа⁺ внутрь клетки далее процесс деполяризации проходит очень бы­стро. Развивающаяся деполяризация клеточной мембраны вы­зывает дополнительное увеличение ее проницаемости и, естест­венно, проводимости ионов Na+ - открываются все новые и но­вые активационные т-ворота Nа-каналов, что придает току ионов Na* в клетку характер регенеративного процесса. В итоге ПП исчезает, становится равным нулю. Фаза деполяризации на этом заканчивается.

2. Фаза инверсии. После исчезновения ПП вход Nа+ в клетку про­должается (m - ворота Na-каналов еще открыты - h-2), поэтому число положительных ионов в клетке превосходит число отрицательных, заряд внутри клетки становится положительным, сна­ружи - отрицательным. Процесс перезарядки мембраны представ­ляет собой 2-ю фазу ПД - фазу инверсии (см. рис. 3.3, в, 2). Теперь электрический градиент препятствует входу Na+ внутрь клетки (положительные заряды отталкиваются друг от друга), прово­димость Na* снижается. Тем не менее некоторый период (доли миллисекунды) ионы Na⁺ продолжают входить в клетку, об этом свидетельствует продолжающееся нарастание ПД. Это означает, что концентрационный градиент, обеспечивающий движение ионов Ка⁺ в клетку, сильнее электрического, препят­ствующего входу ионов Nа* в клетку. Во время деполяризации мембраны увеличивается проницаемость ее и для ионов Са²⁺, они также идут в клетку, но в нервных клетках роль ионов Са²⁺в развитии ПД мала. Таким образом, вся восходящая часть пика ПД обеспечивается в основном входом ионов Nа* в клетку.

Примерно через 0,5-1 мс после начала деполяризации рост ПД прекращается вследствие закрытия ворот Ка-каналов (Ь-3) и открытия ворот К-каналов (в, 2), т.е. увеличения проницаемости для ионов К⁺. Поскольку ионы К⁺ находятся преимущественно внутри клетки, они, согласно концентрационному градиенту, быстро выходят из клетки, вследствие чего в клетке уменьшается число положительно заряженных ионов. Заряд клетки начинает возвращаться к исходному уровню. В фазу инверсии выходу ио­нов К* из клетки способствует также электрический градиент. Ионы К* выталкиваются положительным зарядом из клетки ипритягиваются отрицательным зарядом снаружи клетки. Так продолжается до полного исчезновения положительного заряда внутри клетки - до конца фазы инверсии (см. рис. 3.3, а - пунк­тирная линия), когда начинается следующая фаза ПД - фаза реполяризации. Калий выходит из клетки не только по управляе­мым каналам, ворота которых открыты, но и по неуправляемым каналам утечки.

Амплитуда ПД складывается из величины ПП (мембранный потенциал покоящейся клетки) и величины фазы инверсии - око­ло 20 мв. Если мембранный потенциал в состоянии покоя клетки мал, то амплитуда ПД этой клетки будет небольшой.

3. Фаза реполяризации. В этой фазе проницаемость клеточной мембраны для ионов К⁺ все еще высока, ионы К⁺ продолжают быстро выходить из клетки согласно концентрационному гради­енту. Клетка снова внутри имеет отрицательный заряд, а снару­жи - положительный (см. рис. 3.3, а, 3), поэтому электрический градиент препятствует выходу К* из клетки, что снижает его проводимость, хотя он продолжает выходить. Это объясняется тем, что действие концентрационного градиента выражено зна­чительно сильнее действия электрического градиента. Таким образом, вся нисходящая часть пика ПД обусловлена выходом иона К⁺ из клетки. Нередко в конце ПД наблюдается замедление реполяризации, что объясняется уменьшением проницаемости клеточной мембраны для ионов К⁺ и замедлением выхода их из клетки вследствие закрытия ворот К-каналов. Другая причина замедления тока ионов К⁺ связана с возрастанием положитель­ного потенциала наружной поверхности клетки и формировани­ем противоположно направленного электрического градиента.

Главную роль в возникновении ПД играет ион Na*, входящий в клетку при повышении проницаемости клеточной мембраны и обеспечивающий всю восходящую часть пика ПД. При замене иона Nа⁺ в среде на другой ион, например холин, или в случае блокировки Na-каналов тетродотоксином, ПД в нервной клетке не возникает. Однако проницаемость мембраны для иона К⁺ то­же играет важную роль. Если повышение проницаемости для иона К⁺ предотвратить тетраэтиламмонием, то мембрана после ее деполяризации реполяризуется гораздо медленнее, только за счет медленных неуправляемых каналов (каналы утечки ионов), через которые К⁺ будет выходить из клетки.

Роль ионов Са²⁺ в возникновении ПД в нервных клетках не­значительна, в некоторых нейронах она существенна, например в дендритах клеток Пуркинье мозжечка.

В. Следовые явления в процессе возбуждения клетки. Эти явле­ния выражаются в гиперполяризации или частичной деполяризации клетки после возвращения мембранного потенциала к исход­ной величине (рис. 3.4).

Следовая гиперполяризация клеточной мембраны обычно яв­ляется следствием еще сохраняющейся повышенной проницае­мости клеточной мембраны для К⁺. Ворота К-каналов еще не полностью закрыты, поэтому К ⁺ продолжает выходить из клет­ки согласно концентрационному градиенту, что и ведет к гипер­поляризации клеточной мембраны. Постепенно проницаемость клеточной мембраны возвращается к исходной (натриевые и ка­лиевые ворота возвращаются в исходное состояние), а мембран­ный потенциал становится таким же, каким он был до возбуж­дения клетки. Ионные помпы непосредственно за фазы потенциа­ла действия не отвечают, ионы перемещаются с огромной скоростью согласно концентрационному и частично электриче­скому градиентам.

Следовая деполяризация также характерна для нейронов. Ме­ханизм ее изучен недостаточно. Возможно, она обусловлена крат­ковременным повышением проницаемости клеточной мембраны для Ка* и входом его в клетку согласно концентрационному и электрическому градиентам.

Рис. 3.4. ПД двух клеток. а - замедление фазы реполяризации; б - следовые явления: 1 - следовая гиперполяризация; 2 - следовая деполяризация 3.5. ИССЛЕДОВАНИЕ ИОННЫХ ТОКОВ. ЗАПАС ИОНОВ В КЛЕТКЕ ПД обусловлен циклическим процессом входа №^+ в клетку (восходящая часть пика) и последующим выходом К^+ из клетки (нисходящая часть ПД), что является в свою очередь следствием активации и инактивации Na- и К-каналов.

Наиболее растпространенный метод изучения функций ионных каналов - метод фиксации напряжения (voltage-clamp). Мем­бранный потенциал с помощью подачи электрического напря­жения изменяют и фиксируют на определенном уровне, затем клеточную мембрану градуально деполяризуют, что ведет к от­крытию ионных каналов и возникновению ионного тока, кото­рый мог бы деполяризовать клетку. При этом пропускают элек­трический ток, равный по величине, но противоположный по знаку ионному току, поэтому трансмембранная разность потен­циалов не изменяется. Это позволяет изучить величину ионного тока через мембрану. Применение различных блокаторов ион­ных каналов дает дополнительную возможность более глубоко изучить свойства каналов.

Количественное соотношение между ионными токами по отдельным каналам в покоящейся клетке и во время ПД и их кинетику можно выяснить с помощью метода локальной фик­сации потенциала (patch-clamp). К мембране подводят микро­электрод - присоску (внутри его создается разрежение) и, если на этом участке оказывается канал, исследуют ионный ток че­рез него. В остальном методика подобна предыдущей. И в этом случае применяют специфические блокаторы каналов. В част­ности, при подаче на мембрану фиксированного деполяри­зующего потенциала было установлено, что через Ка-каналы может проходить и ион К⁺, но его ток в 10-12 раз меньше, а через К-каналы может проходить ион Ма⁺, его ток в 100 раз меньше, чем ток ионов К⁺.

Запас ионов в клетке, обеспечивающий возникновение возбу­ждения (ПД), огромен. Концентрационные градиенты ионов в результате одного цикла возбуждения практически не изменя­ются. Клетка может возбуждаться до 5 * 10⁵ раз без подзарядки, т.е. без работы Ма/К-насоса. Число импульсов, которое генери­рует и проводит нервное волокно, зависит от его толщины, что определяет запас ионов. Чем толще нервное волокно, тем боль­ше запас ионов, тем больше импульсов оно может генерировать (от нескольких сотен до миллиона) без участия Nа/К-насоса. Однако в тонких волокнах на возникновение одного ПД расходуется около 1% концентрационных градиентов ионов Nа⁺и К*. Если заблокировать выработку энергии, то клетка будет еще многократно возбуждаться. В реальной действительности Nа/К-насос постоянно переносит ионы Nа⁺ из клетки, а ионы К⁺ воз­вращает в клетку, в результате чего поддерживается концентра­ционный градиент Nа⁺ и К⁺ за счет непосредственного расхода энергии, источником которой является АТФ. Имеются данные, что увеличение внутриклеточной концентрации Nа⁺ сопровож­дается повышением интенсивности работы Nа/К-насоса. Это может быть связано исключительно с тем, что для переносчика становится доступно большее количество внутриклеточных ио­нов Na⁺.