Электрические явления в ТКАНях

Открытие «животного электричества»

В конце XVIII в. (1786 г.) профессор анато­мии Болонского университета Луиджи Гальвани провел ряд опытов, положивших начало целенаправленным исследованиям биоэлект­рических явлений. В первом опыте, подвеши­вая препарат обнаженных задних лапок лягу­шек с помощью медного крючка на железной решетке, Л.Гальвани обнаружил, что всякий раз при касании мышцами решетки они от­четливо сокращались. Л.Гальвани высказал предположение о том, что сокращение мышц является следствием воздействия на них электричества, источником которого высту­пают «животные ткани» — мышцы и нервы. Однако другой итальянский исследователь — физик и физиолог Вольта оспорил это заклю­чение. По его мнению, причиной сокраще­ния мышц был электрический ток, возни­кающий в области контакта двух разнород­ных металлов (медь и железо — гальваничес­кая пара) с тканями лягушки. С целью про­верки своей гипотезы Л.Гальвани поставил второй опыт, в котором нерв нервно-мышеч­ного препарата набрасывался на мышцу стеклянным крючком так, чтобы он касался поврежденного и неповрежденного ее участ­ков. В этом случае мышца также сокраща­лась. Второй опыт Л.Гальвани считается опытом, в котором были получены абсолютные доказательства существования «животного электричества».

Регистрация биоэлектрических явлений впервые осуществлена с помощью гальвано­метра, одна из клемм которого присоединя­лась к поврежденному участку мышцы, дру­гая — к неповрежденному [Маттеучи, 1838], при этом стрелка гальванометра отклоня­лась. Размыкание цепи гальванометра со­провождалось возвращением стрелки гальва­нометра в прежнее (нулевое) положение. В настоящее время существует много раз­личных вариантов регистрации биоэлектри­ческих явлений, но их можно объединить в две основные группы: по местоположению электродов (внутриклеточное и внеклеточ­ное отведения) и по числу отводящих элек­тродов (монополярное, биполярное, мультиполярное отведения). Электроды могут быть металлическими и стеклянными. В случае монополярного отведения один электрод ак­тивный, второй — индифферентный, его площадь в десятки раз больше активного электрода. При внутриклеточном отведении применяется стеклянный микроэлектрод, который представляет собой микропипетку с диаметром кончика 0,5—1 мкм. Микроэлектрод заполняется 3М КС1. В ши­рокую часть микроэлектрода вставляется се­ребряная проволочка, соединяемая с реги­стрирующим устройством. Индифферент­ным внеклеточным электродом является хлорированная серебряная пластинка. При внутриклеточном отведении клетка способ­на функционировать в течение нескольких часов. Микроэлектродный способ регистра­ции биопотенциалов обеспечил изучение механизмов создания электрических зарядов клеткой, возникновения возбуждения в жи­вых клетках. Однако еще задолго до появ­ления микроэлектродной техники (конец XIX в.) стало ясно, что «животное электричество» обусловлено процессами, происхо­дящими на клеточной мембране (Герман, Дюбуа-Реймон, Бернштейн). В настоящее время достаточно хорошо изучены механиз­мы формирования мембранного потенциала покоя (ПП) и потенциала действия (ПД), т.е. процесса возбуждения клетки.

Сущность процесса возбуждения за­ключается в следующем. Все клетки орга­низма имеют электрический заряд, обеспе­чиваемый неодинаковой концентрацией анионов и катионов внутри и вне клетки. Различная концентрация анионов и катио­нов внутри и вне клетки является следстви­ем работы ионных насосов и неодинаковой проницаемости клеточной мембраны для разных ионов. Однако свойства мембран возбудимых клеток существенно отличаются от таковых невозбудимых клеток. При действии раздражителя на клетку возбудимой ткани изменяется проницаемость ее мембра­ны (обычно сначала для Na⁺ и быстро воз­вращается к норме, затем для К⁺ и быстро возвращается к норме), вследствие чего ионы быстро перемещаются согласно эле­ктрохимическому градиенту (совокупность концентрационного и электрического гради­ентов) — это и есть процесс возбуждения. Его основой является потенциал покоя (мембранный потенциал).

Потенциал покоя (ПП)

Потенциал покоя — относительно стабильная разность электрических потенциалов между наружной и внутренней сторонами клеточ­ной мембраны. Его величина обычно варьи­рует в пределах 30—90 мВ (в волокнах ске­летной мышцы — 60—90 мВ, в нервных клет­ках — 50—80 мВ, в гладких мышцах — 30— 70 мВ, в сердечной мышце — 80—90 мВ). При регистрации ПП луч осциллографа во время прокола мембраны клетки микро­электродом скачком отклоняется и показы­вает отрицательный заряд внутри.

ПП играет исключительно важную роль в жизнедеятельности самой клетки и организ­ма в целом, поскольку является основой для возникновения возбуждения (потенциала действия), с помощью которого нервная сис­тема воспринимает и перерабатывает инфор­мацию, регулирует деятельность внутренних органов и опорно-двигательного аппарата посредством запуска процессов возбуждения и сокращения в мышце. Нарушение процес­сов возбуждения в кардиомиоцитах ведет к остановке сердца.

Таблица 1. Внутри- и внеклеточные концент­рации ионов (ммоль∙ л^-1) в мышечных клетках гомойотермных животных (А^- — высокомолекуляр­ные внутриклеточные анионы)

 

Внутриклеточная концентрация	Внеклеточная концентрация
Na^+		Na^+
К^+		К^+
Са^2+	10^-8-10^-7	Са^2+
Cl^-		Сl^-	120-130
НСОз		НСОз
А^-		Прочие катионы

 

Согласно мембранно-ионной теории [Бернштейн, Ходжкин, Хаксли, Катц, 1902— 1952], непосредственной причиной формиро­вания ПП является неодинаковая концентра­ция анионов и катионов внутри и вне клетки (табл.1).

В нервных и мышечных клетках концент­рация К⁺ внутри клетки в 30—40 раз больше, чем вне клетки; концентрация Na⁺ вне клет­ки в 10—12 раз больше, нежели в клетке. Ионов Сl^-вне клетки в 30—50 раз больше, чем внутри клетки. В клетке имеется неболь­шое количество ионов Mg²⁺. Кальций в сво­бодном состоянии находится в основном вне клетки. Он содержится также в эндоплазматическом ретикулуме; в гиалоплазме его очень мало. Это обусловливается отчасти ак­тивным транспортом Са²⁺ наружу через кле­точную мембрану, отчасти поглощением его эндоплазматическим ретикулумом (это резе­рвуар для Са²⁺) и другими органеллами, на­пример митохондриями, связыванием Са²⁺ цитратом, глутаматом.

В клетке находятся также крупномолеку­лярные анионы; главным образом это отри­цательно заряженные белковые молекулы, например глутамат, аспартат, а также органи­ческие фосфаты. Различные ионы распреде­лены неравномерно по обе стороны клеточ­ной мембраны, во-первых, вследствие неоди­наковой проницаемости клеточной мембра­ны для различных ионов, во-вторых — в ре­зультате работы ионных насосов, транспор­тирующих ионы в клетку и из клетки вопре­ки концентрационному и электрическому градиентам.

Роль проницаемости клеточной мембраны в формировании ПП. Проницаемость клеточной мембраны — это ее способность пропускать воду, незаряженные и заряженные частицы (ионы) согласно законам диффузии и фильт­рации. Проницаемость клеточной мембраны определяется следующими факторами: 1) на­личием в составе мембраны различных ион­ных каналов — управляемых (с воротным ме­ханизмом) и неуправляемых (каналов утеч­ки); 2) размерами каналов и размерами час­тиц; 3) растворимостью частиц в мембране (клеточная мембрана проницаема для раство­римых в ней липидов и непроницаема для пептидов).

Термин «проводимость» следует использо­вать только лишь применительно к заряжен­ным частицам. Следовательно, проводи­мость — это способность заряженных частиц (ионов) проходить через клеточную мембра­ну согласно электрохимическому градиенту.

Ионы, подобно незаряженным частицам, переходят через мембрану из области с высокой концентрацией в область с низкой кон­центрацией. При большом градиенте концентра­ции и хорошей проницаемости мембраны, разде­ляющей соответствующие растворы, проводи­мость ионов может быть высокой, при этом на­блюдается односторонний ток ионов. Если раз­ность концентраций ионов по обе стороны мем­браны снизится, то проводимость ионов также уменьшится, хотя проницаемость сохранится прежней — высокой. Кроме того, проводимость иона при неизменной проницаемости мембраны зависит и от заряда иона: одноименные заряды отталкиваются, разноименные — притягиваются. Возможна ситуация, когда при хорошей проница­емости мембраны проводимость ионов через мем­брану оказывается низкой или нулевой в случае отсутствия движущей силы — концентрационного и(или) электрического градиентов (их совокуп­ность называют электрохимическим градиентом).

Таким образом, проводимость иона зави­сит от его электрохимического градиента и от проницаемости мембраны: чем они больше, тем лучше проводимость иона через мембра­ну. Перемещения ионов в клетку и из клетки, согласно концентрационному и электричес­кому градиентам в состоянии покоя клетки, осуществляются преимущественно через не­управляемые (без воротного механизма) каналы, их называют также каналами утечки. Неуправляемые каналы всегда открыты, они практически не меняют своей пропускной способности при электрическом воздействии на клеточную мембрану и ее возбуждении. Неуправляемые каналы подразделяются на ионоселективные каналы (например, калие­вые медленные неуправляемые каналы) и иононеселективные каналы. Последние про­пускают различные ионы — К⁺, Na⁺, Сl^-.

Роль проницаемости клеточной мембра­ны и различных ионов в формировании ПП. Na⁺ и К⁺ в покоящейся клетке перемещаются через мембрану согласно законам диффузии, при этом К⁺ из клетки выходит в значитель­но большем количестве, чем входит Na⁺ в клетку, поскольку проницаемость клеточной мембраны для К⁺ примерно в 25 раз больше проницаемости для Na⁺.

Органические анионы из-за своих больших размеров не могут выходить из клетки, поэ­тому внутри клетки в состоянии покоя отри­цательных ионов оказывается больше, чем положительных. По этой причине клетка из­нутри имеет отрицательный заряд. Интерес­но, что во всех точках клетки отрицательный заряд практически одинаков. Об этом свиде­тельствует одинаковая величина ПП при вве­дении микроэлектрода на разную глубину внутрь клетки, как это имело место в опытах Ходжкина, Хаксли и Катца. Гигантский аксон кальмара (его диаметр около 1 мм) в этом опыте находился в морской воде, один электрод вводился в аксон, другой помещали в морскую воду. Заряд внутри клетки являет­ся отрицательным как абсолютно (в гиалоплазме клетки содержится больше анионов, нежели катионов), так и относительно на­ружной поверхности клеточной мембраны. Однако превышение абсолютного числа анионов над числом катионов в клетке чрез­вычайно мало. Но этого различия достаточно для создания разности электрических потен­циалов внутри и вне клетки.

Главным ионом, обеспечивающим форми­рование ПП, является ион К⁺. Об этом сви­детельствуют результаты опыта с перфузией внутреннего содержимого гигантского аксо­на кальмара солевыми растворами. При уменьшении концентрации К⁺ в перфузате ПП уменьшается, при увеличении концент­рации К⁺ ПП увеличивается. В покоящейся клетке устанавливается динамическое равно­весие между числом выходящих из клетки и входящих в клетку ионов К⁺. Электрический и концентрационный градиенты противодей­ствуют друг другу: согласно концентрацион­ному градиенту К⁺ стремится выйти из клет­ки, отрицательный заряд внутри клетки и по­ложительный заряд наружной поверхности клеточной мембраны препятствуют этому. Когда концентрационный и электрический градиенты уравновесятся, число выходящих из клетки ионов К⁺ сравнивается с числом входящих ионов К⁺ в клетку. В этом случае на клеточной мембране устанавливается так называемый равновесный калиевый потен­циал.

Равновесный потенциал для любого иона можно рассчитать по формуле Нернста. Кон­центрация положительно заряженного иона, находящегося снаружи, в формуле Нернста располагается в числителе, иона, находяще­гося внутри клетки, — в знаменателе. Для от­рицательно заряженных ионов расположение противоположное.

 

где E_ion — потенциал, создаваемый данным ионом; R — газовая постоянная (8,31 Дм); Т — абсолютная температура (273⁺37 °С); Z — валентность иона; F — постоянная Фарадея (9,65-1 0⁴); [ion]_{i —} концентрация иона внутри клетки inside; [ion]₀ — концентрация иона во внешней среде клетки (outside).

При температуре 37 °С равновесный по­тенциал для К⁺ с учетом соотношения кон­центрации его снаружи и изнутри (1/39) и ва­лентности 1 равен —97 мВ. Однако реальный ПП миоцита теплокровного животного не­сколько меньше — около —90 мВ. Это объяс­няется тем, что в создании потенциала ПП принимают участие и другие ионы, хотя их роль менее значительна в сравнении с ролью иона К⁺. Равновесный потенциал для Na⁺ равен ⁺55 мВ. В целом ПП — это производное равновесных потенциалов всех ионов, находя­щихся внутри и вне клетки и поверхностных зарядов клеточной мембраны.

Вклад Na⁺ и Сl^- в создание ПП. Проницае­мость клеточной мембраны в покое для Na+ очень низкая — намного ниже, чем для К+, тем не менее она имеет место, поэтому ионы Na+, согласно концентрационному и элект­рическому градиентам, стремятся и в неболь­шом количестве проходят внутрь клетки. Это ведет к уменьшению ПП, так как на внешней поверхности клеточной мембраны суммарное число положительно заряженных ионов уменьшается, хотя и незначительно, а часть отрицательных ионов внутри клетки нейтра­лизуется входящими в клетку положительно заряженными ионами Na+. Вход Na+ внутрь клетки уменьшает ПП. Что касается Сl^-, его влияние на величину ПП противоположно влиянию Na+ и зависит от проницаемости клеточной мембраны для Сl^- (она в 2 раза ниже, чем для К+). Дело в том, что Сl^-, со­гласно концентрационному градиенту, стремится и проходит в клетку. Концентрации ионов К+ и Сl^- близки между собой. Но Сl^- находится в основном вне клетки, а К+ — внутри клетки. Препятствует входу Сl^- в клетку электрический градиент, поскольку заряд внутри клетки отрицательный, как и заряд Сl^-. Наступает равновесие сил кон­центрационного градиента, способствующего входу Сl^- в клетку, и электрического гради­ента, препятствующего входу Сl^- в клетку. Поэтому внутриклеточная концентрация Сl^- равна всего лишь 5—10 ммоль/л, а вне клет­ки — 120—130 ммоль/л. При поступлении Сl^- внутрь клетки число отрицательных зарядов вне клетки несколько уменьшается, а внутри клетки увеличивается: Сl^- добавляется к крупным белковой природы анионам, нахо­дящимся внутри клетки. Эти анионы из-за своих больших размеров не могут пройти через каналы клеточной мембраны нару­жу клетки — в интерстиций. Таким образом, Сl-, проникая внутрь клетки, увеличивает ПП. Частично, как и вне клетки, Na+ и Сl^- внутри клетки нейтрализуют друг друга. Вследствие этого совместное поступление Na+ и Сl^- внутрь клетки не сказывается су­щественно на величине ПП.

Роль поверхностных зарядов клеточной мембраны и ионов Са²⁺ в формировании ПП. Наружная и внутренняя поверхности клеточ­ной мембраны несут собственные электри­ческие заряды, преимущественно с отрица­тельным знаком. Это полярные молекулы клеточной мембраны — гликолипиды, фосфолипиды, гликопротеиды. Фиксированные наружные отрицательные заряды, нейтрали­зуя положительные заряды внешней поверх­ности мембраны, уменьшают ПП. Фиксиро­ванные внутренние отрицательные заряды клеточной мембраны, напротив, суммируясь с анионами внутри клетки, увеличивают ПП. Роль ионов Са²⁺ в формировании ПП заклю­чается в том, что они взаимодействуют с на­ружными отрицательными фиксированными зарядами мембраны клетки и отрицательны­ми карбоксильными группами интерстиция и нейтрализуют их, что ведет к увеличению и стабилизации ПП.

Таким образом, ПП — это алгебраическая сумма не только всех зарядов ионов вне и внут­ри клетки, но также алгебраическая сумма отрицательных внешних и внутренних поверх­ностных зарядов самой мембраны. Роль про­ницаемости клеточной мембраны в проис­хождении ПП иллюстрируется на модельном опыте (рис.1).

Сосуд разделен полупроницаемой мембра­ной. Обе его половины заполнены раствора ми K₂SO₄ различной концентрации (С₁ и С₂), причем С₁< С₂. Мембрана проницаема для К⁺ и непроницаема для SO^2-_4. Ионы К⁺ переме­щаются, согласно концентрационному гра­диенту, из раствора С₂ в раствор С₁. Посколь­ку ионы SO^2-₄ не могут пройти в раствор С₁, где их концентрация тоже ниже, мембрана поляризуется и между двумя ее поверхностя­ми возникает разность электрических потен­циалов, соответствующая равновесному ка­лиевому потенциалу (Ек). В растворе С₂ оста­ется больше отрицательных зарядов, в рас­творе С₁ становится больше положительных зарядов.

При проведении измерений потенциал ок­ружающей клетку среды принимают за вели­чину, равную нулю. Относительно нулевого потенциала внешней среды потенциал внут­ренней среды клетки, как отмечалось выше, составляет величину порядка —60—90 мВ. Повреждение клетки приводит к повышению проницаемости клеточных мембран, в ре­зультате чего различие проницаемости для К⁺ и Na⁺ уменьшается; ПП при этом снижается. Подобные изменения встречаются при ишемии ткани, например миокарда. У сильно по­врежденных клеток ПП может снизиться до уровня доннановского равновесия, что нару­шает электрическую активность клеток орга­на в целом или его части. Однако и в норме происходит перемещение ионов согласно электрохимическому градиенту.

Роль ионных насосов в формировании ПП. В результате непрерывного перемещения различных ионов через клеточную мембрану их концентрация внутри и вне клетки посте­пенно должна выравниваться. Однако, не­смотря на постоянную диффузию ионов (утечку ионов), ПП клеток остается на одном уровне. Следовательно, кроме собственных ионных механизмов формирования ПП, свя­занных с различной проницаемостью клеточ­ной мембраны, имеется активный механизм поддержания градиентов концентрации раз­личных ионов внутри и вне клетки. Им явля­ются ионные насосы, в частности Na/K-насос (помпа).

,

Ионный насос — транспортная система, обеспечивающая перенос иона с непосредст­венной затратой энергии вопреки концентра­ционному и электрическому градиентам. Если заблокировать освобождение энергии, например, динитрофенолом, в течение 1 ч выведение Na⁺ из клетки сократится пример­но в 100 раз. Как выяснилось, выведение Na⁺ сопряжено с транспортом К⁺, что можно продемонстрировать при удалении К⁺ из на­ружного раствора. Если К⁺ на наружной сто­роне мембраны нет, работа насоса блокиру­ется, перенос Na⁺ из клетки в этом случае па­дает, составляя примерно 30 % от нормаль­ного уровня. Сопряженность транспорта Na⁺ и К⁺ уменьшает расход энергии примерно в 2 раза по сравнению с той, которая потребо­валась бы при несопряженном транспорте. В целом траты энергии на активный транс­порт веществ огромны: лишь Na/K-насос по­требляет 1/3 всей энергии, расходуемой орга­низмом в покое. За 1 с один Na/K-насос (од­на молекула белка) переносит 150—600 ионов Na⁺. Накопление Na в клетке стимулирует работу Na/K-насоса, уменьшение Na⁺ в клет­ке снижает его активность, поскольку снижа­ется вероятность контакта ионов с соответст­вующим переносчиком. В результате сопря­женного транспорта Na⁺ и К⁺ поддерживается постоянная разность концентраций этих ионов внутри и вне клетки. Одна молекула АТФ обеспечивает один цикл работы Na/K-насоса — перенос трех ионов Na⁺ за пределы клетки и двух ионов К⁺ внутрь клетки. Асим­метричный перенос ионов Na/K-насосом поддерживает избыток положительно заря­женных частиц на наружной поверхности клеточной мембраны и отрицательных заря­дов внутри клетки, что позволяет считать Na/K-насос структурой электрогенной, до­полнительно увеличивающей ПП примерно на 5—10 мВ (в среднем около 10 % у разных возбудимых клеток — у одних больше, у дру­гих меньше). Данный факт свидетельствует о том, что решающим фактором в формирова­нии ПП является селективная проницае­мость клеточной мембраны для разных ионов. Если уравнять проницаемость клеточ­ной мембраны для всех ионов, то ПП будет составлять только 5—10 мВ — за счет работы N/K-помпы.

Нормальная величина ПП является необ­ходимым условием возникновения процесса возбуждения клетки, т.е. возникновения и распространения потенциала действия, ини­циирующего специфическую деятельность клетки.

Потенциал действия (ПД)

ПД — это электрофизиологический процесс, выра­жающийся в быстром колебании мембранно­го потенциала покоя вследствие перемеще­ния ионов в клетку и из клетки и способный распространяться без декремента (без затуха­ния). ПД обеспечивает передачу сигналов между нервными клетками, нервными цент­рами и рабочими органами, в мышцах ПД обеспечивает процесс электромеханического сопряжения. Схематично ПД представлен на рис., А.

Величина ПД колеблется в пределах 80— 130 мВ, длительность пика ПД нервного во­локна — 0,5—1 мс, волокна скелетной мышцы — до 10 мс с учетом замедления ре-поляризации в конце ее. Длительность ПД сердечной мышцы —300—400 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 при раздражении клетки, если оно мало, либо достигает 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. В составе ПД различают три фазы: 1 — де­поляризацию, т.е. исчезновение заряда клет­ки — уменьшение мембранного потенциала до нуля; 2 — инверсию, т.е. изменение знака заряда клетки на обратный, когда внутренняя сторона мембраны клетки заряжается поло­жительно, а внешняя — отрицательно (лат. inversio — переворачивание); 3 — реполяризацию, т.е. восстановление исходного заряда клетки, когда внутренняя поверхность кле­точной мембраны снова заряжается отрица­тельно, а наружная — положительно.

Механизм возникновения ПД. Если дей­ствие раздражителя на клеточную мембрану приводит к началу развития ПД, далее сам процесс развития ПД вызывают фазовые из­менения проницаемости клеточной мембра­ны, что обеспечивает быстрое движение Na+ в клетку, а К+ — из клетки. Это наиболее часто встречаемый вариант возникновения ПД. 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 ионов. Если заблокиро­вать процесс выработки энергии, потенциа­лы действия некоторый период времени будут возникать. Но после исчезновения гра­диентов концентраций ионов (устранения потенциальной энергии) клетка генерировать ПД не будет. Рассмотрим фазы ПД.

1) фаза деполяриза­ции — процесс исчезновения заряда клетки до нуля; 2) фаза инверсии — изменение знака заряда клетки на противоположный, т.е. весь период ПД, когда внутри клетки заряд положительный, а сна­ружи отрицательный; 3) фаза реполяризации — восстановление заряда клетки до исходной вели­чины (возврат к потенциалу покоя).

1. Фаза деполяризации (см. рис.2, А-1). При действии деполяризующего раздражите­ля на клетку (медиатор, электрический ток) начальная частичная деполяризация клеточ­ной мембраны происходит без изменения ее проницаемости для ионов. Поэтому, несмот­ря на наличие движущей силы (концентраци­онный и электрический градиенты), движе­ние Na⁺ в клетку через быстрые потенциалчувствительные Na-каналы отсутствует. На­помним, что клетка внутри заряжена отрица­тельно (разноименные заряды притягиваются друг к другу), а концентрация Na⁺ вне клетки в 10—12 раз больше, чем внутри клетки. Ус­ловием же, обеспечивающим вход Na⁺ в клетку, является увеличение проницаемости клеточной мембраны, которая определяется состоянием воротного механизма Na-каналов (в некоторых клетках, например в кардиомиоцитах, в волокнах гладкой мышцы, важную роль в возникновении ПД играют управляемые каналы для Са²⁺). Длительность пребывания электроуправляемого канала в открытом состоянии зависит от величины мембранного потенциала. Суммарный ток ионов в любой момент определяется числом открытых каналов клеточной мембраны и на­личием электрохимических градиентов ионов. Часть ионного канала, обращенная во внеклеточное пространство, отличается от части канала, обращенной внутрь клеточной среды (П.Г.Костюк).

Воротный механизм Nа-каналов располо­жен на внешней и внутренней сторонах кле­точной мембраны, воротный механизм К-каналов — на внутренней (К⁺ движется из клет­ки наружу). В каналах для Nа⁺ имеются активационные m-ворота, которые расположены с внешней стороны клеточной мембраны (Na⁺ движется внутрь клетки во время ее воз­буждения), и инактивационные h-ворота, расположенные с внутренней стороны кле­точной мембраны. В условиях покоя активационные m-ворота закрыты, инактивацион­ные h-ворота преимущественно (около 80 %) открыты (см. рис. 2, Б-1); закрыты также калиевые активационные ворота (см. рис.2, В-1), инактивационных ворот для К⁺ нет.

Некоторые авторы называют m-ворота бы­стрыми, h-ворота — медленными, поскольку они в процессе возбуждения клетки реагируют позже, нежели m-ворота. Однако более поздняя реакция h-ворот связана с изменением заряда клетки, как и m-ворот, которые открываются в процессе де­поляризации клеточной мембраны. h-ворота за­крываются в фазе инверсии, когда заряд внутри клетки становится положительным, что и являет­ся причиной их закрытия, при этом нарастание пика ПД прекращается. По существу m-ворота яв­ляются ранними, h-ворота — поздними.

Когда деполяризация клетки достигает критической величины (Е_кр., критический уровень деполяризации — КУД), которая обычно составляет 50 мВ (возможны и дру­гие величины), проницаемость мембраны для Na⁺ резко возрастает — открывается большое число потенциалзависимых m-ворот Na-каналов (см. рис.2, Б-2) и Na⁺ лавиной устремляется в клетку. Через один открытый Na-канал за 1 мс проходит до 6000 ионов. В результате интенсивного тока Na⁺ внутрь клетки процесс деполяризации проходит очень быстро. Развивающаяся де­поляризация клеточной мембраны вызывает дополнительное увеличение ее проницае­мости и, естественно, проводимости Na⁺ — открываются все новые и новые активаци­онные m-ворота Na-каналов, что придает току 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 Na⁺ в клетку продолжается (m-ворота Na-каналов еще открыты), поэтому число положительных ионов в клетке превосходит число отрицательных ионов, заряд внутри клетки становится положительным, снару­жи — отрицательным. Процесс перезарядки мембраны представляет собой вторую фазу потенциала действия — фазу инверсии (см. рис.2, А-2). Теперь электрический гради­ент препятствует входу Na⁺ внутрь клетки (положительные заряды отталкиваются друг от друга), Na-проводимость снижается. Тем не менее, некоторый период времени (доли миллисекунды) Na⁺ продолжает входить в клетку — об этом свидетельствует продол­жающееся нарастание ПД. Это означает, что концентрационный градиент, обеспечивающий движение Na⁺ в клетку, сильнее элект­рического, препятствующего входу Na⁺ в клетку. Во время деполяризации мембраны увеличивается проницаемость ее и для Са²⁺, он также идет в клетку, но в нервных волок­нах, нейронах и клетках скелетной мускула­туры роль Са²⁺ в развитии ПД мала. В клет­ках гладкой мышцы и миокарда его роль су­щественна. Таким образом, вся восходящая часть пика ПД в большинстве случаев обеспечивается в основном входом Na⁺ в клетку.

Примерно через 0,5—2 мс и более после начала деполяризации (это время зависит от вида клетки) рост ПД прекращается вследст­вие закрытия натриевых инактивационных h-ворот и прекращения поступления Na⁺ в клетку (см. рис.2, Б-3) и открытия ворот К-каналов, ведущего к резкому возрастанию выхода К⁺ из клетки (см. рис.2, В-2). Пре­пятствуют также росту пика ПД электричес­кий градиент (клетка внутри в этот момент заряжена положительно), а также выход К⁺ из клетки по каналам утечки. Поскольку К⁺ находится преимущественно внутри клетки, он, согласно концентрационному градиенту, быстро выходит из клетки после открытия ворот К⁺ каналов, вследствие чего уменьша­ется число положительно заряженных ионов в клетке. Заряд клетки снова начинает умень­шаться. В период нисходящей части фазы инверсии выходу К⁺ 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 (до конца нисходящей части фазы ин­версии — см. рис.2, А-2, пунктирная линия). Калий выходит из клетки не только по управляемым каналам, ворота которых от­крыты, но и по неуправляемым — каналам утечки, что несколько замедляет ход восходя­щей части ПД и ускоряет ход нисходящей со­ставляющей ПД.

Таким образом, изменение мембранного потенциала покоя ведет к последовательному открытию или закрытию электроуправляемых ворот ионных каналов и движение ионов, согласно электрохимическому гради­енту, — возникновению ПД. Все фазы явля­ются регенеративными — необходимо только достичь критического уровня деполяризации, далее ПД развивается за счет потенциальной энергии клетки в виде электрохимических градиентов, т.е. вторично активно.

Амплитуда ПД складывается из величины ПП и величины фазы инверсии, составляющей у разных клеток 10—50 мВ. Если мембранный потенциал покоящейся клетки мал, амплиту­да ПД этой клетки небольшая.

3. Фаза реполяризации (см. рис.2, А-3) связана с тем, что проницаемость клеточной мембраны для К⁺ все еще высока (активационные ворота калиевых каналов открыты), К⁺ продолжает быстро выходить из клетки согласно концентрационному градиенту. По­скольку клетка теперь уже снова внутри имеет отрицательный заряд, а снаружи — по­ложительный (см. рис. 2, А-3), 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 электри­ческого градиента. Таким образом, вся нис­ходящая часть пика ПД обусловлена выходом К⁺ из клетки. Нередко в конце ПД наблюда­ется замедление реполяризации, что объясняется уменьшением проницаемости клеточ­ной мембраны для К⁺ и замедлением выхода его из клетки из-за закрытия значительной части ворот К-каналов. Вторая причина за­медления тока К⁺ из клетки связана с возрас­танием положительного заряда наружной по­верхности клетки и формированием противоположно направленного электрического гра­диента.

При наличии определенного ПП, как сле­дует из описанных механизмов, ПД не дол­жен возникать, если клетку перенести в соле­вой раствор, не содержащий Na⁺, что и было продемонстрировано в экспериментах. Если аксон помещать в растворы с различной кон­центрацией Na⁺, величина ПД будет умень­шаться с уменьшением концентрации Na⁺ в окружающей нервное волокно среде. ПД также уменьшается, если частично заблоки­ровать Na-каналы тетродотоксином. При их полной блокаде ПД вообще не возникает. Возможность временного нарушения работы Na-каналов широко используется в клини­ческой практике. Так, с помощью местных анестетиков расстраивается механизм управ­ления ворот Na-каналов. Это приводит к прекращению проведения возбуждения в со­ответствующем участке нерва, устранению болевых ощущений, например, при хирурги­ческих вмешательствах. Таким образом, главную роль в возникновении ПД играет Na⁺, входящий в клетку при повышении проницаемости клеточной мембраны и обеспечивающий всю восходящую часть пика ПД. При замене Na⁺ в среде на другой ион, например холин, ПД в нервной и мышечной клетках скелетной мускулатуры не возникает. Однако проницаемость мембраны для К⁺ тоже играет важную роль. Если повышение проницаемос­ти для К⁺ предотвратить тетраэтиламмонием, мембрана после ее деполяризации реполяризуется гораздо медленнее, только за счет мед­ленных неуправляемых каналов (каналов утечки ионов), через которые К⁺ будет выхо­дить из клетки.

Роль Са²⁺ в возникновений ПД в нервных и мышечных клетках скелетной мускулатуры незначительна. Однако Са²⁺ играет важную роль в возникновении ПД в сердечной и гладкой мышцах, в передаче импульсов от одного нейрона к другому, от нервного во­локна к мышечному, в обеспечении мышеч­ного сокращения. Снижение содержания Са²⁺ в крови на 50 %, что иногда встречается в клинической практике, может привести к судорожным сокращениям скелетных мышц. Это объясняется значительным повышением возбудимости нервных и мышечных клеток в результате снижение ПП из-за уменьшения степени нейтрализации отрицательных фик­сированных зарядов на поверхности клеточ­ной мембраны и отрицательно заряженных карбоксильных групп интерстиция. Вследст­вие этого повышается реактивность нейро­нов, так как ПП приближается к Е_кр, кроме того, начинается активация Na-каналов. В ответ на поступление самой незначитель­ной импульсации нейроны начинают генери­ровать ПД в большом количестве, что прояв­ляется в судорожных сокращениях скелетной мускулатуры. При этом нейроны ЦНС и нервные волокна могут разряжаться и спон­танно.