Все живые клетки обладают способностью под влиянием раздражителей переходить из состояния физиологического покоя в состояние активности или возбуждения.

Возбуждение - это комплекс активных электрических, химических и функциональных изменений в возбудимых тканях (нервной, мышечной или железистой), которыми ткань отвечает на внешнее воздействие. Важную роль при возбуждении играют электрические процессы, обеспечивающие проведение возбуждения по нервным волокнам и приводящие ткани в активное (рабочее) состояние.

Мембранный потенциал

Живые клетки обладают важным свойством: внутренняя поверхность клетки всегда заряжена отрицательно по отношению к внешней ее стороне. Между внешней поверхностью клетки, заряженной электроположительно по отношению к протоплазме, и внутренней стороной клеточной мембраны существует разность потенциалов, которая колеблется в пределах 60-70 мВ. По данным П. Г. Ко- стюка (2001), у нервной клетки эта разность колеблется в пределах от 30 до 70 мВ. Разность потенциалов между внешней и внутренней сторонами мембраны клетки называют мембранным потенциалом, или потенциалом покоя (рис. 2.1).

Мембранный потенциал покоя присутствует на мембране до тех пор, пока клетка жива, и исчезает с гибелью клетки. Л. Гальвани еще в 1794 г. показал, что если повредить нерв или мышцу, сделав поперечное сечение и приложив к поврежденной части и к месту повреждения электроды, соединенные с гальванометром, то гальванометр покажет ток, который течет всегда от неповрежденной части ткани к месту разреза. Это течение он назвал током покоя. По своей физиологической сути ток покоя и мембранный потенциал покоя - одно и то же. Измеренная в данном опыте разность потенциалов составляет 30-50 мВ, поскольку при повреждении ткани часть тока шунтируется в межклеточном пространстве и окружающей исследуемую структуру жидкости. Разность потенциалов можно рассчитать по формуле Нернста:

где R - газовая постоянная, Т - абсолютная температура, F - число Фарадея, [К] вн. и [К] нар. - концентрация калия внутри и снаружи клетки.

Рис. 2.1.

Причина возникновения потенциала покоя общая для всех клеток. Между протоплазмой клетки и внеклеточной средой существует неравномерное распределение ионов (ионная асимметрия). Состав крови человека по солевому балансу напоминает состав океанской воды. Внеклеточная среда в центральной нервной системе также содержит много хлорида натрия. Ионный состав цитоплазмы клеток беднее. Внутри клеток в 8-10 раз меньше ионов Na + и в 50 раз меньше ионовС!". Основным катионом цитоплазмы является К + . Его концентрация внутри клетки в 30 раз выше, чем во внеклеточной среде, и приблизительно равняется внеклеточной концентрации Na Основными противоионами для К + в цитоплазме являются органические анионы, в частности анионы аспарагиновой, гистаминовой и других аминокислот. Такая асимметрия - это нарушение термодинамического равновесия. Для того чтобы восстановить его, ионы калия должны постепенно покидать клетку, а ионы натрия - стремиться в нее. Однако этого не происходит.

Первым препятствием для выравнивания разности концентраций ионов является плазматическая мембрана клетки. Она состоит из двойного слоя молекул фосфолипидов, покрытых изнутри слоем белковых молекул, а снаружи - слоем углеводов (мукополисахари- дов). Некоторая часть клеточных белков встроена непосредственно в двойной липидный слой. Это внутренние белки.

Мембранные белки всех клеток делят на пять классов: насосы, каналы, рецепторы, ферменты и структурные белки. Насосы служат для перемещения ионов и молекул против градиентов концентрации, используя для этого метаболическую энергию. Белковые каналы, или поры, обеспечивают избирательную проницаемость (диффузию) через мембрану соответствующих им по размеру ионов и молекул. Рецепторные белки, обладающие высокой специфичностью, распознают и связывают, прикрепляя к мембране, многие типы молекул, необходимых для жизнедеятельности клетки в каждый определенный момент времени. Ферменты ускоряют течение химических реакций у поверхности мембраны. Структурные белки обеспечивают соединение клеток в органы и поддержание субклеточной структуры.

Все эти белки специфичны, но не строго. В определенных условиях тот или иной белок может быть одновременно и насосом, и ферментом, и рецептором. Через каналы мембраны молекулы воды, а также соответствующие размерам пор ионы входят в клетку и выходят из нее. Проницаемость мембраны для различных катионов не одинакова и изменяется при разных функциональных состояниях ткани. В покое мембрана в 25 раз более проницаема для ионов калия, чем для ионов натрия, а при возбуждении натриевая проницаемость примерно в 20 раз превышает калиевую. В состоянии покоя равные концентрации калия в цитоплазме и натрия во внеклеточной среде должны обеспечить и равное количество положительных зарядов по обе стороны мембраны. Но поскольку проницаемость для ионов калия выше в 25 раз, то калий, выходя из клетки, делает ее поверхность все более положительно заряженной по отношению к внутренней стороне мембраны, около которой все более накапливаются слишком крупные для пор мембраны отрицательно заряженные молекулы аспарагиновой, гистаминовой и других аминокислот, «отпустивших» калий за пределы клетки, но «не дающих» ему уйти далеко благодаря своему отрицательному заряду. С внутренней стороны мембраны копятся отрицательные заряды, а с внешней - положительные. Возникает разность потенциалов. Диффузный ток ионов натрия в протоплазму из внеклеточной жидкости удерживает эту разность на уровне 60-70 мВ, не давая ей возрастать. Диффузный ток ионов натрия в покое в 25 раз слабее, чем встречный ток ионов калия. Ионы натрия, проникая внутрь клетки, снижают величину потенциала покоя, позволяя ей удерживаться на определенном уровне. Таким образом, величина потенциала покоя мышечных и нервных клеток, а также нервных волокон определяется соотношением числа положительно заряженных ионов калия, диффундирующих в единицу времени из клетки наружу, и положительно заряженных ионов натрия, диффундирующих через мембрану в противоположном направлении. Чем это соотношение выше, тем больше величина потенциала покоя, и наоборот.

Вторым препятствием, удерживающим разность потенциалов на определенном уровне, является натрий-калиевый насос (рис. 2.2). Он получил название натрий-калиевого или ионного, поскольку осуществляет активное выведение (выкачивание) из протоплазмы проникающих в нее ионов натрия и введение (нагнетание) в нее ионов калия. Источником энергии для работы ионного насоса является расщепление АТФ (аденозинтрифосфата), которое происходит под воздействием фермента аденозинтрифосфатазы, локализованного в мембране клетки и активируемого теми же ионами, т. е. калием и натрием (нагрий-калий-зависимая АТФ-аза).

Рис. 2.2.

Это крупный белок, превышающий по размеру толщину клеточной мембраны. Молекула этого белка, пронизывая мембрану насквозь, связывает с внутренней стороны преимущественно натрий и АТФ, а с наружной - калий и различные ингибиторы типа глико- зидов. При этом возникает мембранный ток. Благодаря этому току обеспечивается соответствующее направление переноса ионов. Перенос ионов происходит в три этапа. Сначала ион соединяется с молекулой переносчика, образуя комплекс ион-переносчик. Затем этот комплекс проходит через мембрану или переносит через нее заряд. В завершении - ион освобождается от переносчика на противоположной стороне мембраны. Одновременно происходит аналогичный процесс, переносящий ионы в противоположном направлении. Если насос осуществляет перенос одного иона натрия на один ион калия, то он просто поддерживает концентрационный градиент по обе стороны мембраны, но не вносит вклада в создание мембранного потенциала. Чтобы внести этот вклад, ионный насос должен переносить натрий и калий в соотношении 3:2, т. е. на 2 иона калия, поступающих в клетку, из клетки он должен выводить 3 иона натрия. Работая с максимальной нагрузкой, каждый насос способен перекачивать через мембрану около 130 ионов калия и 200 ионов натрия в секунду. Это предельная скорость. В реальных условиях работа каждого насоса регулируется в соответствии с потребностями клетки. У большинства нейронов на один квадратный микрон мембранной поверхности приходится от 100 до 200 ионных насосов. Следовательно, мембрана любой нервной клетки содержит 1 миллион ионных насосов, способных перемещать до 200 миллионов ионов натрия в секунду.

Таким образом, мембранный потенциал (потенциал покоя) создается в результате как пассивных, так и активных механизмов. Степень участия тех или иных механизмов в разных клетках неодинакова, из чего следует, что мембранный потенциал может быть неодинаковым в разных структурах. Активность насосов может зависеть от диаметра нервных волокон: чем тоньше волокно, тем отношение размера поверхности к объему цитоплазмы выше, соответственно, и активность насосов, необходимая для поддержания разницы концентраций ионов на поверхности и внутри волокна, должна быть больше. Другими словами, мембранный потенциал может зависеть от структуры нервной ткани, а значит, и от ее функционального назначения. Электрическая поляризация мембраны - главное условие, обеспечивающее возбудимость клетки. Это ее постоянная готовность к действию. Это запас потенциальной энергии клетки, который она может использовать в случае, если нервной системе понадобится ее немедленная реакция.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Критерии возбудимости

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

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

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

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

Механизм возникновения мембранного потенциала покоя

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

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

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

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

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

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

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

	Внутриклеточная концентрация	Внеклеточная концентрация
А- (анионы органических соединений)

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

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

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

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

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

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

Потенциал действия нервного волокна, нервный импульс

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Природа потенциала действия нервного волокна (нервного импульса)

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

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

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

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

Таблица. Сравнительная характеристика локального потенциала и потенциала действия

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Установлено, что наиболее важными ионами, определяющими мембранные потенциалы клеток, являются неорганические ионы К + , Na + , СГ, а также в ряде случаев Са 2 + . Хорошо известно, что концентрации этих ионов в цитоплазме и в межклеточной жидкости различаются в десятки раз.

Из табл. 11.1 видно, что концентрация ионов К + внутри клетки в 40-60 раз выше, чем в межклеточной жидкости, тогда как для Na + и СГ распределение концентраций противоположное. Неравномерное распределение концентраций этих ионов по обе стороны мембраны обеспечивается как их различной проницаемостью, так и сильным электрическим полем мембраны, которое определяется ее потенциалом покоя.

Действительно, в состоянии покоя суммарный поток ионов через мембрану равен нулю, и тогда из уравнения Не- рнста - Планка следует, что

Таким образом, в покое градиенты концентрации - и

электрического потенциала -- на мембране направлены

противоположно друг другу и поэтому в покоящейся клетке высокая и постоянная разность концентраций основных ионов обеспечивает поддержание на мембране клетки электрического напряжения, которое и называют равновесным мембранным потенциалом.

В свою очередь возникающий на мембране потенциал покоя препятствует выходу ионов из клетки К + и чрезмерному входу в нее СГ, поддерживая тем самым их концентрационные градиенты на мембране.

Полное выражение для мембранного потенциала, учитывающее потоки диффузии этих трех видов ионов, было получено Гольдманом, Ходжкиным и Катцем:

где Р к, P Na , Р С1 - проницаемость мембраны для соответствующих ионов.

Уравнение (11.3) с высокой точностью определяет мембранные потенциалы покоя различных клеток. Из него следует, что для мембранного потенциала покоя важны не абсолютные величины проницаемостей мембраны для различных ионов, а их отношения, так как, разделив обе части дроби под знаком логарифма, например, на Р к, мы перейдем к относительным проницаемостям ионов.

В тех случаях, когда проницаемость одного из этих ионов значительно больше, чем других, уравнение (11.3) переходит в уравнение Нернста (11.1) для этого иона.

Из табл. 11.1 видно, что мембранный потенциал покоя клеток близок к потенциалу Нернста для ионов К + и СВ, но значительно отличается от него по Na + . Это свидетельствует

0 том, что в покое мембрана хорошо проницаема для ионов К + и СГ, тогда как для ионов Na + ее проницаемость очень низка.

Несмотря на то что равновесный потенциал Нернста для СГ наиболее близок к потенциалу покоя клетки, последний имеет преимущественно калиевую природу. Это обусловлено тем, что высокая внутриклеточная концентрация К + не может существенно уменьшиться, так как ионы К + должны уравновешивать внутри клетки объемный отрицательный заряд анионов. Внутриклеточные анионы представляют собой в основном крупные органические молекулы (белки, остатки органических кислот ит.п.), которые не могут пройти через каналы в клеточной мембране. Концентрация этих анионов в клетке практически постоянна и их суммарный отрицательный заряд препятствует значительному выходу калия из клетки, поддерживая вместе с Na-K-насосом его высокую внутриклеточную концентрацию . Однако основная роль в первоначальном установлении внутри клетки высокой концентрации ионов калия и низкой концентрации ионов натрия принадлежит Na-K-насосу.

Распределение ионов С1 устанавливается в соответствии с мембранным потенциалом, поскольку в клетке нет специальных механизмов поддержания концентрации СГ. Поэтому вследствие отрицательного заряда хлора его распределение оказывается обратным по отношению к распределению калия на мембране (см. табл. 11.1). Таким образом, концентрационные диффузии К + из клетки и С1 в клетку практически уравновешиваются мембранным потенциалом покоя клетки.

Что касается Na + , то в покое его диффузия направлена в клетку под действием как градиента концентрации, так и электрического поля мембраны и вход Na + в клетку ограничивается в покое только малой проницаемостью мембраны для натрия (закрыты натриевые каналы). Действительно, Ходжкин и Катц экспериментально установили, что в состоянии покоя проницаемости мембраны аксона кальмара для К + , Na + и СГ относятся как 1: 0,04: 0,45. Таким образом, в состоянии покоя клеточная мембрана малопроницаема только для Na + , а для СГ она проницаема почти так же хорошо, как и для К + . В нервных клетках проницаемость для СГ обычно ниже, чем для К + , но в мышечных волокнах проницаемость для СГ даже несколько преобладает.

Несмотря на малую проницаемость клеточной мембраны для Na + в покое, существует, хотя и весьма малый, пассивный перенос Na + в клетку. Этот ток Na + должен был бы приводить к снижению разности потенциалов на мембране и к выходу К + из клетки, что вело бы в конечном итоге к выравниванию концентраций Na + и К + по обе стороны мембраны. Этого не происходит благодаря работе Na + - К + -насоса, компенсирующего токи утечки Na + и К + и поддерживающего таким образом нормальные значения внутриклеточных концентраций этих ионов и, следовательно, нормальную величину потенциала покоя клетки.

Для большинства клеток мембранный потенциал покоя составляет (-бО)-(-ЮО) мВ. На первый взгляд может показаться, что это малая величина, но надо учесть, что толщина мембраны тоже мала (8-10 нм), так что напряженность электрического поля в клеточной мембране огромна и составляет около 10 млн вольт на 1 м (или 100 кВ на 1 см):

Воздух, например, не выдерживает такой напряженности электрического поля (электрический пробой в воздухе наступает при 30 кВ/см), а мембрана выдерживает. Это нормальное условие ее деятельности, поскольку именно такое электрическое поле необходимо для поддержания разности концентраций ионов натрия, калия и хлора на мембране.

Величина потенциала покоя, различная у клеток, может изменяться при изменении условий их жизнедеятельности. Так, нарушение биоэнергетических процессов в клетке, сопровождающееся падением внутриклеточного уровня макро- эргических соединений (в частности, АТФ), прежде всего исключает компоненту потенциала покоя, связанную с работой Ма + -К + -АТФ-азы.

Повреждение клетки приводит обычно к повышению проницаемости клеточных мембран, в результате чего различия в проницаемости мембраны для ионов калия и натрия уменьшаются; потенциал покоя при этом уменьшается, что может вызвать нарушение ряда функций клетки, например возбудимости.

• Поскольку внутриклеточная концентрация калия поддерживается почти постоянной, то даже относительно небольшие изменения внеклеточной концентрации К* могут оказывать заметное влияние на потенциалпокоя и на деятельность клетки. Подобные изменения концентрации К"в плазме крови происходят при некоторых патологиях (например, припочечной недостаточности).

»: Потенциал покоя - это важное явление в жизни всех клеток организма, и важно знать, как он формируется. Однако это сложный динамический процесс, трудный для восприятия целиком, особенно для студентов младших курсов (биологических, медицинских и психологических специальностей) и неподготовленных читателей. Впрочем, при рассмотрении по пунктам, вполне возможно понять его основные детали и этапы. В работе вводится понятие потенциала покоя и выделяются основные этапы его формирования с использованием образных метафор, помогающих понять и запомнить молекулярные механизмы формирования потенциала покоя.

Мембранные транспортные структуры - натрий-калиевые насосы - создают предпосылки для возникновения потенциала покоя. Предпосылки эти - разность в концентрации ионов на внутренней и наружной сторонах клеточной мембраны. Отдельно проявляет себя разность концентрации по натрию и разность концентрации по калию. Попытка ионов калия (K +) выровнять свою концентрацию по обе стороны мембраны приводит к его утечке из клетки и потере вместе с ними положительных электрических зарядов, за счёт чего значительно усиливается общий отрицательный заряд внутренней поверхности клетки. Эта «калиевая» отрицательность составляет бóльшую часть потенциала покоя (−60 мВ в среднем), а меньшую его часть (−10 мВ) составляет «обменная» отрицательность, вызванная электрогенностью самого ионного насоса-обменника.

Давайте разбираться подробнее.

Зачем нам нужно знать, что такое потенциал покоя и как он возникает?

Вы знаете, что такое «животное электричество»? Откуда в организме берутся «биотоки»? Как живая клетка, находящаяся в водной среде, может превратиться в «электрическую батарейку» и почему она моментально не разряжается?

На эти вопросы можно ответить только в том случае, если узнать, как клетка создаёт себе разность электрических потенциалов (потенциал покоя) на мембране.

Совершенно очевидно, что для понимания того, как работает нервная система, необходимо вначале разобраться, как работает её отдельная нервная клетка - нейрон. Главное, что лежит в основе работы нейрона - это перемещение электрических зарядов через его мембрану и появление вследствие этого на мембране электрических потенциалов. Можно сказать, что нейрон, готовясь к своей нервной работе, вначале запасает энергию в электрической форме, а затем использует ее в процессе проведения и передачи нервного возбуждения.

Таким образом, наш самый первый шаг к изучению работы нервной системы - это понять, каким образом появляется электрический потенциал на мембране нервных клеток. Этим мы и займёмся, и назовём этот процесс формированием потенциала покоя .

Определение понятия «потенциал покоя»

В норме, когда нервная клетка находится в физиологическом покое и готова к работе, у неё уже произошло перераспределение электрических зарядов между внутренней и наружной сторонами мембраны. За счёт этого возникло электрическое поле, и на мембране появился электрический потенциал - мембранный потенциал покоя .

Таким образом, мембрана оказывается поляризованной. Это означает, что она имеет разный электрический потенциал наружной и внутренней поверхностей. Разность между этими потенциалами вполне возможно зарегистрировать.

В этом можно убедиться, если ввести внутрь клетки микроэлектрод, соединённый с регистрирующей установкой. Как только электрод попадает внутрь клетки, он мгновенно приобретает некоторый постоянный электроотрицательный потенциал по отношению к электроду, расположенному в окружающей клетку жидкости. Величина внутриклеточного электрического потенциала у нервных клеток и волокон, например, гигантских нервных волокон кальмара, в покое составляет около −70 мВ. Эту величину называют мембранным потенциалом покоя (МПП). Во всех точках аксоплазмы этот потенциал практически одинаков.

Ноздрачёв А.Д. и др. Начала физиологии .

Ещё немного физики. Макроскопические физические тела, как правило, электрически нейтральны, т.е. в них в равных количествах содержатся как положительные, так и отрицательные заряды. Зарядить тело можно, создав в нем избыток заряженных частиц одного вида, например, трением о другое тело, в котором при этом образуется избыток зарядов противоположного вида. Учитывая наличие элементарного заряда (e ), полный электрический заряд любого тела можно представить как q = ±N×e , где N - целое число.

Потенциал покоя - это разность электрических потенциалов, имеющихся на внутренней и наружной сторонах мембраны, когда клетка находится в состоянии физиологического покоя. Его величина измеряется изнутри клетки, она отрицательна и составляет в среднем −70 мВ (милливольт), хотя в разных клетках может быть различной: от −35 мВ до −90 мВ.

Важно учитывать, что в нервной системе электрические заряды представлены не электронами, как в обычных металлических проводах, а ионами - химическими частицами, имеющими электрический заряд. И вообще в водных растворах в виде электрического тока перемещаются не электроны, а ионы. Поэтому все электрические токи в клетках и окружающей их среде - это ионные токи .

Итак, изнутри клетка в покое заряжена отрицательно, а снаружи - положительно. Это свойственно всем живым клеткам, за исключением, разве что, эритроцитов, которые, наоборот, заряжены отрицательно снаружи. Если говорить конкретнее, то получается, что снаружи вокруг клетки будут преобладать положительные ионы (катионы Na + и K +), а внутри - отрицательные ионы (анионы органических кислот, не способные свободно перемещаться через мембрану, как Na + и K +).

Теперь нам всего лишь осталось объяснить, каким же образом всё получилось именно так. Хотя, конечно, неприятно сознавать, что все наши клетки кроме эритроцитов только снаружи выглядят положительными, а внутри они - отрицательные.

Термин «отрицательность», который мы будем применять для характеристики электрического потенциала внутри клетки, пригодится нам для простоты объяснения изменений уровня потенциала покоя. В этом термине ценно то, что интуитивно понятно следующее: чем больше отрицательность внутри клетки - тем ниже в отрицательную сторону от нуля смещён потенциал, а чем меньше отрицательность - тем ближе отрицательный потенциал к нулю. Это намного проще понять, чем каждый раз разбираться в том, что же именно означает выражение «потенциал возрастает» - возрастание по абсолютному значению (или «по модулю») будет означать смещение потенциала покоя вниз от нуля, а просто «возрастание» - смещение потенциала вверх к нулю. Термин «отрицательность» не создаёт подобных проблем неоднозначности понимания.

Сущность формирования потенциала покоя

Попробуем разобраться, откуда берётся электрический заряд нервных клеток, хотя их никто не трёт, как это делают физики в своих опытах с электрическими зарядами.

Здесь исследователя и студента поджидает одна из логических ловушек: внутренняя отрицательность клетки возникает не из-за появления лишних отрицательных частиц (анионов), а, наоборот, из-за потери некоторого количества положительных частиц (катионов)!

Так куда же деваются из клетки положительно заряженные частицы? Напомню, что это покинувшие клетку и скопившиеся снаружи ионы натрия - Na + - и калия - K + .

Главный секрет появления отрицательности внутри клетки

Сразу откроем этот секрет и скажем, что клетка лишается части своих положительных частиц и заряжается отрицательно за счёт двух процессов:

1. вначале она обменивает «свой» натрий на «чужой» калий (да-да, одни положительные ионы на другие, такие же положительные);
2. потом из неё происходит утечка этих «наменянных» положительных ионов калия, вместе с которыми из клетки утекают положительные заряды.

Эти два процесса нам и надо объяснить.

Первый этап создания внутренней отрицательности: обмен Na + на K +

В мембране нервной клетки постоянно работают белковые насосы-обменники (аденозинтрифосфатазы, или Na + /K + -АТФазы), встроенные в мембрану. Они меняют «собственный» натрий клетки на наружный «чужой» калий.

Но ведь при обмене одного положительного заряда (Na +) на другой такой же положительный заряд (K +) никакого дефицита положительных зарядов в клетке возникать не может! Правильно. Но, тем не менее, из-за этого обмена в клетке остаётся очень мало ионов натрия, потому что они почти все ушли наружу. И в то же время клетка переполняется ионами калия, которые в неё накачали молекулярные насосы. Если бы мы могли попробовать на вкус цитоплазму клетки, мы бы заметили, что в результате работы насосов-обменников она превратилась из солёной в горько-солёно-кислую, потому что солёный вкус хлорида натрия сменился сложным вкусом довольно-таки концентрированного раствора хлорида калия. В клетке концентрация калия достигает 0,4 моль/л. Растворы хлорида калия в пределах 0,009–0,02 моль/л имеют сладкий вкус, 0,03–0,04 - горький, 0,05–0,1 - горько-солёный, а начиная с 0,2 и выше - сложный вкус, состоящий из солёного, горького и кислого .

Важно здесь то, что обмен натрия на калий - неравный . За каждые отданные клеткой три иона натрия она получает всего два иона калия . Это приводит к потере одного положительного заряда при каждом акте ионного обмена. Так что уже на этом этапе за счёт неравноценного обмена клетка теряет больше «плюсов», чем получает взамен. В электрическом выражении это составляет примерно −10 мВ отрицательности внутри клетки. (Но помните, что нам надо ещё найти объяснение для оставшихся −60 мВ!)

Чтобы легче было запомнить работу насосов-обменников, образно можно выразиться так: «Клетка любит калий!» Поэтому клетка и затаскивает калий к себе, несмотря на то, что его и так в ней полно. И поэтому она невыгодно обменивает его на натрий, отдавая 3 иона натрия за 2 иона калия. И поэтому она тратит на этот обмен энергию АТФ. И как тратит! До 70% всех энергозатрат нейрона может уходить на работу натрий-калиевых насосов. (Вот что делает любовь, пусть она даже и не настоящая!)

Кстати, интересно, что клетка не рождается с готовым потенциалом покоя. Ей его ещё надо создать. Например, при дифференцировке и слиянии миобластов потенциал их мембраны изменяется от −10 до −70 мВ, т.е. их мембрана становится более отрицательной - поляризуется в процессе дифференцировки. А в экспериментах на мультипотентных мезенхимальных стромальных клетках костного мозга человека искусственная деполяризация, противодействующая потенциалу покоя и уменьшающая отрицательность клеток, даже ингибировала (угнетала) дифференцировку клеток .

Образно говоря, можно выразиться так: Создавая потенциал покоя, клетка «заряжается любовью». Это любовь к двум вещам:

1. любовь клетки к калию (поэтому клетка насильно затаскивает его к себе);
2. любовь калия к свободе (поэтому калий покидает захватившую его клетку).

Механизм насыщения клетки калием мы уже объяснили (это работа насосов-обменников), а механизм ухода калия из клетки объясним ниже, когда перейдём к описанию второго этапа создания внутриклеточной отрицательности. Итак, результат деятельности мембранных ионных насосов-обменников на первом этапе формирования потенциала покоя таков:

1. Дефицит натрия (Na +) в клетке.
2. Избыток калия (K +) в клетке.
3. Появление на мембране слабого электрического потенциала (−10 мВ).

Можно сказать так: на первом этапе ионные насосы мембраны создают разность концентраций ионов, или градиент (перепад) концентрации, между внутриклеточной и внеклеточной средой.

Второй этап создания отрицательности: утечка ионов K + из клетки

Итак, что начинается в клетке после того, как с ионами поработают её мембранные натрий-калиевые насосы-обменники?

Из-за образовавшегося дефицита натрия внутри клетки этот ион при каждом удобном случае норовит устремиться внутрь : растворённые вещества всегда стремятся выровнять свою концентрацию во всём объёме раствора. Но это у натрия получается плохо, поскольку ионные натриевые каналы обычно закрыты и открываются только при определённых условиях: под воздействием специальных веществ (трансмиттеров) или при уменьшении отрицательности в клетке (деполяризации мембраны).

В то же время в клетке имеется избыток ионов калия по сравнению с наружной средой - потому что насосы мембраны насильно накачали его в клетку. И он, тоже стремясь уравнять свою концентрацию внутри и снаружи, норовит, напротив, выйти из клетки . И это у него получается!

Ионы калия K + покидают клетку под действием химического градиента их концентрации по разные стороны мембраны (мембрана значительно более проницаема для K + , чем для Na +) и уносят с собой положительные заряды. Из-за этого внутри клетки нарастает отрицательность.

Тут ещё важно понять то, что ионы натрия и калия как бы «не замечают» друг друга, они реагируют только «на самих себя». Т.е. натрий реагирует на концентрацию натрия же, но «не обращает внимания» на то, сколько вокруг калия. И наоборот, калий реагирует только на концентрацию калия и «не замечает» натрий. Получается, что для понимания поведения ионов надо по отдельности рассматривать концентрации ионов натрия и калия. Т.е. надо отдельно сравнить концентрацию по натрию внутри и снаружи клетки и отдельно - концентрацию по калию внутри и снаружи клетки, но не имеет смысла сравнивать натрий с калием, как это, бывает, делается в учебниках.

По закону выравнивания химических концентраций, который действует в растворах, натрий «хочет» снаружи войти в клетку; туда же его влечёт и электрическая сила (как мы помним, цитоплазма заряжена отрицательно). Хотеть-то он хочет, но не может, так как мембрана в обычном состоянии плохо его пропускает. Натриевые ионные каналы, имеющиеся в мембране, в норме закрыты. Если все же его заходит немножко, то клетка сразу же обменивает его на наружный калий с помощью своих натрий-калиевых насосов-обменников. Получается, что ионы натрия проходят через клетку как бы транзитом и не задерживаются в ней. Поэтому натрий в нейронах всегда в дефиците.

А вот калий как раз может легко выходить из клетки наружу! В клетке его полно, и она его удержать не может. Он выходит наружу через особые каналы в мембране - «калиевые каналы утечки», которые в норме открыты и выпускают калий .

К + -каналы утечки постоянно открыты при нормальных значениях мембранного потенциала покоя и проявляют взрывы активности при сдвигах мембранного потенциала, которые длятся несколько минут и наблюдаются при всех значениях потенциала. Усиление К + -токов утечки ведёт к гиперполяризации мембраны, тогда как их подавление - к деполяризации. ...Однако, существование канального механизма, ответственного за токи утечки, долгое время оставалось под вопросом. Только сейчас стало ясно, что калиевая утечка - это ток через специальные калиевые каналы.

Зефиров А.Л. и Ситдикова Г.Ф. Ионные каналы возбудимой клетки (структура, функция, патология) .

От химического - к электрическому

А теперь - ещё раз самое главное. Мы должны осознанно перейти от движения химических частиц к движению электрических зарядов .

Калий (K +) положительно заряжен, и поэтому он, когда выходит из клетки, выносит из неё не только самого себя, но и положительный заряд. За ним изнутри клетки к мембране тянутся «минусы» - отрицательные заряды. Но они не могут просочиться через мембрану - в отличие от ионов калия - т.к. для них нет подходящих ионных каналов, и мембрана их не пропускает. Помните про оставшиеся необъяснёнными нами −60 мВ отрицательности? Это и есть та самая часть мембранного потенциала покоя, которую создаёт утечка ионов калия из клетки! И это - большая часть потенциала покоя.

Для этой составной части потенциала покоя есть даже специальное название - концентрационный потенциал . Концентрационный потенциал - это часть потенциала покоя, созданная дефицитом положительных зарядов внутри клетки, образовавшимся за счёт утечки из неё положительных ионов калия .

Ну, а теперь немного физики, химии и математики для любителей точности.

Электрические силы связаны с химическими по уравнению Гольдмана. Его частным случаем является более простое уравнение Нернста , по формуле которого можно рассчитать трансмембранную диффузионную разность потенциалов на основе различной концентрации ионов одного вида по разные стороны мембраны. Так, зная концентрацию ионов калия снаружи и внутри клетки, можно рассчитать калиевый равновесный потенциал E K:

где Е к - равновесный потенциал, R - газовая постоянная, Т - абсолютная температура, F - постоянная Фарадея, К + внеш и K + внутр - концентрации ионов К + снаружи и внутри клетки, соответственно. По формуле видно, что для расчёта потенциала между собой сравниваются концентрации ионов одного вида - K + .

Более точно итоговая величина суммарного диффузионного потенциала, который создаётся утечкой нескольких видов ионов, рассчитывается по формуле Гольдмана-Ходжкина-Катца. В ней учтено, что потенциал покоя зависит от трех факторов: (1) полярности электрического заряда каждого иона; (2) проницаемости мембраны Р для каждого иона; (3) [концентраций соответствующих ионов] внутри (внутр) и снаружи мембраны (внеш). Для мембраны аксона кальмара в покое отношение проводимостей Р K: PNa :P Cl = 1: 0,04: 0,45 .

Заключение

Итак, поте нциал покоя состоит из двух частей:

1. −10 мВ , которые получаются от «несимметричной» работы мембранного насоса-обменника (ведь он больше выкачивает из клетки положительных зарядов (Na +), чем закачивает обратно с калием).
2. Вторая часть - это всё время утекающий из клетки калий, уносящий положительные заряды. Его вклад - основной: −60 мВ . В сумме это и дает искомые −70 мВ.

Что интересно, калий перестанет выходить из клетки (точнее, его вход и выход уравниваются) только при уровне отрицательности клетки −90 мВ. В этом случае сравняются химические и электрические силы, проталкивающие калий через мембрану, но направляющие его в противоположные стороны. Но этому мешает постоянно подтекающий в клетку натрий, который несёт с собой положительные заряды и уменьшает отрицательность, за которую «борется» калий. И в итоге в клетке поддерживается равновесное состояние на уровне −70 мВ.

Вот теперь мембранный потенциал покоя окончательно сформирован.

Схема работы Na + /K + -АТФазы наглядно иллюстрирует «несимметричный» обмен Na + на K + : выкачивание избыточного «плюса» в каждом цикле работы фермента приводит к отрицательному заряжению внутренней поверхности мембраны. Чего в этом ролике не сказано, так это того, что АТФаза ответственна за менее чем 20% потенциала покоя (−10 мВ): оставшаяся «отрицательность» (−60 мВ) появляется за счет выхода из клетки через «калиевые каналы утечки» ионов K + , стремящихся выровнять свою концентрацию внутри клетки и вне нее.

Литература

1. Jacqueline Fischer-Lougheed, Jian-Hui Liu, Estelle Espinos, David Mordasini, Charles R. Bader, et. al.. (2001). Human Myoblast Fusion Requires Expression of Functional Inward Rectifier Kir2.1 Channels . J Cell Biol . 153 , 677-686;
2. Liu J.H., Bijlenga P., Fischer-Lougheed J. et al. (1998). Role of an inward rectifier K + current and of hyperpolarization in human myoblast fusion . J. Physiol. 510 , 467–476;
3. Sarah Sundelacruz, Michael Levin, David L. Kaplan. (2008). Membrane Potential Controls Adipogenic and Osteogenic Differentiation of Mesenchymal Stem Cells . PLoS ONE . 3 , e3737;
4. Павловская М.В. и Мамыкин А.И. Электростатика. Диэлектрики и проводники в электрическом поле. Постоянный ток / Электронное пособие по общему курсу физики. СПб: Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет;
5. Ноздрачёв А.Д., Баженов Ю.И., Баранникова И.А., Батуев А.С. и др. Начала физиологии: Учебник для вузов / Под ред. акад. А.Д. Ноздрачёва. СПб: Лань, 2001. - 1088 с.;
6. Макаров А.М. и Лунева Л.А. Основы электромагнетизма / Физика в техническом университете. Т. 3;
7. Зефиров А.Л. и Ситдикова Г.Ф. Ионные каналы возбудимой клетки (структура, функция, патология). Казань: Арт-кафе, 2010. - 271 с.;
8. Родина Т.Г. Сенсорный анализ продовольственных товаров. Учебник для студентов вузов. М.: Академия, 2004. - 208 с.;
9. Кольман Я. и Рем К.-Г. Наглядная биохимия. М.: Мир, 2004. - 469 с.;
10. Шульговский В.В. Основы нейрофизиологии: Учебное пособие для студентов вузов. М.: Аспект Пресс, 2000. - 277 с..

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.

Правильное питание