Фазы пд. Потенциал действия
Форма потенциала действия позволяет разделить процесс его генерации на несколько фаз: предспайк, быстрая деполяризация, реполяризация и следовые потенциалы (рис. 2.3).
Рис. 2.3.
Предспайк - это процесс медленной деполяризации мембраны, который начинается с первого отклонения от потенциала покоя и заканчивается достижением КУД. Предспайк включает пассивную деполяризацию мембраны и активный локальный ответ. Активный ответ возникает, когда пассивная деполяризация мембраны достигает 70-80% от значений КУД и является первым проявлением начинающегося активного состояния мембраны - началом ее возбуждения. Благодаря пассивной деполяризации и локальному активному ответу сдвиг потенциала на мембране достигает критического уровня деполяризации, при котором и развивается собственно ПД.
Фаза быстрой (лавинообразной) деполяризации мембраны является первой фазой ПД. На этой стадии мембранный потенциал быстро сдвигается от критического уровня деполяризации до нуля и продолжает смещаться вплоть до пика Г1Д, перезаряжая мембрану. Во время первой фазы ПД потенциал на мембране «извращается», т.е. мембрана разряжается до нуля и перезаряжается с противоположным знаком. Участок ПД со значениями от нуля до пика перезарядки носит название овершут (англ, overshoot) потенциала. Вместо отрицательных значений потенциал на мембране становится положительным. У гигантского аксона кальмара пик ПД достигает значений порядка +50 мВ, а фаза деполяризации с овер- шутом длится порядка 0,5 мс.
Фаза реполяризации является второй фазой ПД. Во время этой фазы значение потенциала на мембране возвращается к исходному значению, т.е. к потенциалу покоя. Эта фаза может быть подразделена на быструю реполяризацию от +50 мВ до 0 В и более медленную реполяризацию - от 0 В до КУД и далее до потенциала покоя. Фаза реполяризации занимает 1-2 мс.
Следовые потенциалы могут в ряде случаев развиваться в конце ПД в виде медленной деполяризации или даже медленной гиперполяризации. Следовая гиперполяризация наблюдается, в частности, на мембране гигантского аксона кальмара.
Ионная природа фаз потенциала действия была изучена в ходе экспериментов на гигантских аксонах кальмара Ходжкиным и Хаксли. Выяснилось, что в момент генерации ПД электрическое сопротивление мембраны аксона на период 1-2 мс снижается в 20-30 раз, г.е. резко возрастает проводимость мембраны, и через мембрану начинает протекать ток. Но какой это ток? Оказалось, что если удалить катионы Na + из наружного раствора и заменить их на сахарозу, то амплитуда потенциала действия резко уменьшается либо ПД вообще не возникает. Это позволило сделать заключение, что главной причиной генерации ПД и перезарядки мембраны до положительных значений является возникновение высокой проницаемости мембраны к катионам натрия и быстрый вход этих катионов внутрь клетки.
Движение натрия внутрь происходит под действием двух сил. Первая сила связана с наличием трансмембранного концентрационного градиента катионов натрия. Концентрация натрия в наружном растворе в 20-30 раз больше, чем внутри, т.е. концентрационный градиент для Na + направлен внутрь клетки, и при наличии достаточной проницаемости катионы натрия будут быстро входить в клетку. Вторая сила связана с наличием большого отрицательного заряда на внутренней стороне мембраны (порядка -70 мВ). Отрицательный заряд на внутренней стороне мембраны будет способствовать входу положительно заряженных катионов натрия в клетку. Входя, катионы натрия будут сначала стремительно уменьшать отрицательный заряд мембраны до нуля, а потом перезаряжать мембрану до положительных значений, приближая величину мембранного потенциала к равновесному потенциалу для Na + . Напомним, что равновесный потенциал для катионов Na" может быть рассчитан по уравнению Нернста и составляет для гигантского аксона кальмара +55 мВ.
В пользу участия входящего натриевого тока в создании деполяриза- ционной фазы ПД свидетельствуют результаты экспериментов с тетродо- токсином - блокатором потенциал-зависимой натриевой проницаемости. Тетродотоксин способен полностью блокировать развитие Г1Д (рис. 2.4, а).
Рис. 2.4. Изменения ПД, возникающие при действии на мембрану избирательных блокаторов натриевой проницаемости - тетродотоксина (я) или калиевой проницаемости - тетраэгиламмония (б)
Таким образом, натриевая гипотеза удовлетворительно объясняет развитие деполяризационной фазы ПД, но оставляет открытым вопрос о причинах рсиоляризации, т.е. фазы ПД, приводящей к возврату мембранного потенциала к уровню потенциала покоя. Было высказано предположение, что на мембране развивается еще один процесс - возрастает ее проницаемость к ионам калия. Было ясно, что это - особая активная калиевая проницаемость, отличающаяся от пассивной калиевой проницаемости, существующей у мембраны в покое (пассивной калиевой утечки). Дополнительная калиевая проницаемость мембраны возникает только в ответ на деполяризацию мембраны до критического уровня, причем с небольшим запаздыванием по сравнению с увеличением натриевой проницаемости. В случае возникновения такой дополнительной активной проницаемости к калию катионы К* начинают выходить из клетки под действием концентрационного градиента и заряда на мембране, созданного опережающим входом катионов натрия. Входящие катионы Na + заряжают внутреннюю сторону мембраны положительно, а наружную - отрицательно. Дополнительный выходящий ток катионов калия будет уменьшать созданный натриевым током положительный заряд внутри клетки и возвращать электрический заряд па мембране к исходным значениям, т.е. к потенциалу покоя.
В пользу участия выходящего калиевого тока в создании реполяризаци- онной фазы ПД свидетельствовали результаты экспериментов с использованием блокатора активной калиевой проницаемости - тетраэтиламмония. Тетраэтиламмоний резко замедляет протекание фазы реполяризации ПД (рис. 2.4, б).
Если ПД является результатом появления и развития на мембране двух новых ионных токов, которых не было в покое, а именно токов натрия и калия, то, следовательно, при деполяризации на мембране открываются новые потенциал-активируемые ионные каналы. Эти каналы проводят сначала натрий, а затем - калий. Свойства таких каналов можно понять, анализируя развитие токов, которые возникают при их работе. Но эти токи надо регистрировать «в чистом виде», т.е. не осложненные одновременными изменениями потенциала на мембране и емкостными токами мембраны. Для этого Ходжкиным и Хаксли в их экспериментах на гигантских аксонах кальмара впервые был использован метод фиксации потенциала на мембране (англ, voltage-clamp).
Метод фиксации потенциала на мембране заключается в подключении к мембране аксона системы двух усилителей. Один усилитель предназначен для регистрации сдвигов мембранного потенциала, второй работает по принципу отрицательной обратной связи. В аксон вводятся два проволочных микроэлектрода. Один из них измеряет сдвиги мембранного потенциала и передает их на усилитель с отрицательной обратной связью. Этот усилитель (отслеживающий сдвиги потенциала на мембране и генерирующий токи) на выходе соединяют со вторым внутриклеточным микроэлектродом - токовым. Через этот микроэлектрод будет подаваться ток, который можно измерять во внешней цепи индифферентного электрода, расположенного снаружи аксона.
Если теперь искусственно деполяризовать мембрану до КУД, то в ответ через возбужденную мембрану начинают течь потенциал-активируемые токи: натриевый и калиевый. Создаваемые этими токами сдвиги мембранного потенциала мгновенно отслеживаются при помощи усилителя обратной связи, посылающего через токовый микроэлектрод равные по амплитуде, но противоположно направленные токи, - возникает обратная связь. Такие «токи фиксации» удерживают (фиксируют) мембрану от сдвигов потенциала и являются, по существу, зеркальным отражением Na + - и К + -токов. Токи фиксации могут быть легко измерены во внешней цепи схемы (рис. 2.5).
Рис. 2.5.
(voltage-clamp ):
при помощи усилителя обратной связи токовый электрод пропускает ток фиксации, являющийся зеркальным отражением трансмембранных токов
На рис. 2.6 приведены данные, полученные с применением метода фиксации потенциала. При деполяризации мембраны от -65 до -9 мВ мембрана возбуждается, что сопровождается генерацией двухфазного тока. Видно, что сначала возникает быстрый входящий ток, который затухает и сменяется на более медленно развивающийся выходящий ток. Оказалось, что входящий ток можно полностью заблокировать с помощью тетродоток- сина - избирательного блокатора потенциал-зависимых натриевых каналов. Из этого следует, что входящий ток - натриевый ток.
Выходящий ток, также возникавший в ответ на деполяризацию, при этом сохраняется и выявляется в чистом виде. Этот ток развивается с небольшой задержкой, нарастает медленнее, но зато не затухает и сохраняется в течение всего времени деполяризации. Он полностью блокируется блокатором потенциал-активируемых калиевых каналов тетраэтилам- монием и, следовательно, представляет собой потенциал-активирусмый К + -ток. Таким образом, с помощью метода фиксации потенциала и использования избирательных блокаторов натриевого и калиевого токов удалось разделить и выявить по отдельности два тока, возникающих при генерации ПД, показать их независимость друг от друга и проанализировать каждый из них.
Рис. 2.6.
а - смещение мембранного потенциала на 56 мВ и фиксация его на уровне -9 мВ;
6 - двухфазный (ранний входящий и поздний выходящий) ток в ответ на фиксацию потенциала на уровне -9 мВ; в - фармакологическое разделение двух токов с помощью блокаторов натриевой (тетродотоксин) и калиевой (тетраэтиламмоний)
Потенциалом действия называют быстрое изменение мембранного потенциала, возникающее при возбуждении нервных, мышечных и некоторых железистых клеток. В основе его возникновения лежат изменения ионной проницаемости мембраны. В развитии потенциала действия выделяют четыре последовательных периода: 1) локальный ответ; 2) деполяризация; 3) реполяризация и 4) следовые потенциалы (рис. 2.11).
Локальный ответ представляет собой активную местную деполяризацию, возникающую вследствие увеличения натриевой проницаемости клеточной мембраны. Уменьшение мембранного потенциала называется деполяризацией. Однако при подпороговом стимуле начальное повышение натриевой проницаемости недостаточно велико, чтобы вызвать быструю деполяризацию мембраны. Локальный ответ возникает не только при подпороговом, но и при надпороговом раз-
Рис. 2.11.
1 - локальный ответ; 2 - фаза деполяризации; 3 - фаза реполяризации; 4 - отрицательный следовой потенциал; 5 - положительный (гиперполяризационный) следовой потенциал
дражении и является составным компонентом потенциала действия. Таким образом, локальный ответ является первоначальной и универсальной формой реагирования ткани на различные по силе раздражения. Биологический смысл локального ответа состоит в том, что если раздражитель по силе мал, то ткань реагирует на него с минимальной тратой энергии, не включая механизмы специфической деятельности. В том же случае, когда раздражение надпороговое, локальный ответ переходит в потенциал действия. Период от начала раздражения до начала фазы деполяризации, когда локальный ответ, нарастая, снижает мембранный потенциал до критического уровня (КУД), называется латентным или скрытым периодом, продолжительность которого зависит от силы раздражения (рис. 2.12).
Фаза деполяризации характеризуется быстрым уменьшением мембранного потенциала и даже перезарядкой мембраны: внутренняя ее часть на некоторое время становится заряженной положительно, а внешняя - отрицательно. Изменение знака заряда на мембране называют извращением - реверсией потенциала. В отличие от локального ответа скорость и величина деполяризации не зависят от силы раздражителя. Продолжительность фазы деполяризации в нервном волокне лягушки составляет около 0,2-0,5 мс.
Продолжительность фазы реполяризации составляет 0,5-0,8 мс. Восстановление исходной величины поляризации мембраны называют реполяризацией. В течение этого времени мембранный потен-
Рис. 2.12. Потенциалы действия, возникающие в ответ на пороговое раздражение коротким (А) и длительным (Б) стимулами Раздражающие стимулы, при воздействии которых получены ответы А и Б: ПП - потенциал покоя; Екуд. - критический уровень деполяризации мембраны (по А.Л. Каталымову)
циал постепенно восстанавливается и достигает 75-85% потенциала покоя. В литературе второй и третий периоды часто называют пиком потенциала действия.
Колебания мембранного потенциала, следующие за пиком потенциала действия, называют следовыми потенциалами. Различают два вида следовых потенциалов - следовую деполяризацию и следовую гиперполяризацию, которые соответствуют четвертой и пятой фазам потенциала действия. Следовая деполяризация (отрицательный следовой потенциал) является продолжением фазы реполяризации и характеризуется более медленным (по сравнению с фазой реполяризации) восстановлением потенциала покоя. Следовая деполяризация переходит в следовую гиперполяризацию (положительный следовой потенциал), представляющую собой временное увеличение мембранного потенциала выше исходного уровня. Увеличение мембранного потенциала называется гиперполяризацией. В миелинизирован- ных нервных волокнах следовые потенциалы имеют более сложный характер: следовая деполяризация может переходить в следовую гиперполяризацию, затем иногда возникает новая деполяризация, лишь после этого происходит полное восстановление потенциала покоя.
Ионный механизм возникновения потенциала действия. Основу потенциала действия составляют последовательно развивающиеся во времени изменения ионной проницаемости клеточной мембраны.
При действии на клетку раздражителя проницаемость мембраны для ионов Na + резко повышается за счет активации (открывания) натриевых каналов.
При этом ионы Na + по концентрационному градиенту интенсивно перемещаются из вне во внутриклеточное пространство. Вхождению ионов Na + в клетку способствует и электростатическое взаимодействие. В итоге проницаемость мембраны для Na + становится в 20 раз больше проницаемости для ионов К + .
Сначала деполяризация идет сравнительно медленно. Когда мембранный потенциал уменьшается на 10-40 мВ, скорость деполяризации резко увеличивается и кривая потенциала действия круто поднимается верх. Уровень мембранного потенциала, при котором резко увеличивается скорость деполяризации мембраны, благодаря тому что поток ионов Na + внутрь клетки оказывается большим, чем поток ионов К + наружу, называют критическим уровнем деполяризации.
Поскольку поток Na + в клетку начинает превышать калиевый ток из клетки, происходит постепенное снижение потенциала покоя, приводящее к реверсии - изменению знака мембранного потенциала. При этом внутренняя поверхность мембраны становится электроположительной по отношению к ее внешней электроотрицательной поверхности. Указанные изменения мембранного потенциала соответствуют восходящей фазе потенциала действия (фазе деполяризации).
Мембрана характеризуется повышенной проницаемостью для ионов Na + лишь очень короткое время (0,2-0,5 мс). После этого проницаемость мембраны для ионов Na + вновь понижается, а для К + - возрастает. В результате поток Na + внутрь клетки резко ослабляется, а ток К + из клетки усиливается.
В течение потенциала действия в клетку поступает значительное количество Na + , а ионы К + покидают клетку. Восстановление клеточного ионного баланса осуществляется благодаря работе натрий- калиевого насоса, активность которого возрастает при повышении внутренней концентрации ионов Na + и увеличении внешней концентрации ионов К + . Благодаря работе ионного насоса и изменению проницаемости мембраны для Na + и К + их концентрация во внутри- и внеклеточном пространстве постепенно восстанавливается.
Итогом этих процессов и является реполяризация мембраны: внутреннее содержимое клетки вновь приобретает отрицательный заряд по отношению к внешней поверхности мембраны.
Следовой отрицательный потенциал регистрируется в период, когда № + -каналы инактивированы и реполяризация, связанная с выходом ионов К + из клетки, происходит медленнее, чем во время нисходящей части пика потенциала действия. Это длительное сохранение отрицательности наружной поверхности возбужденного участка по отношению к невозбужденному называют следовой деполяризацией. Следовая деполяризация означает, что в этот период наружная поверхность возбудимого образования имеет меньший положительный заряд, чем в состоянии покоя.
Следовой положительный потенциал соответствует периоду увеличения мембранного потенциала покоя, т.е. гиперполяризации мембраны. Во время следового положительного потенциала наружная поверхность клетки более положительно заряжена, чем в состоянии покоя. Следовой положительный потенциал часто называют следовой гиперполяризацией. Она объясняется длительным сохранением повышенной проницаемости для ионов К + . Вследствие этого на мембране устанавливается потенциал, равный потенциалу равновесия (для К + - 90 мВ).
Изменения возбудимости в процессе развития возбуждения. Воздействуя раздражителями разной силы в различные фазы потенциала действия, можно проследить, как изменяется возбудимость в ходе возбуждения. На рис. 2.13" видно, что период локального ответа характеризуется повышенной возбудимостью (мембранный потенциал приближается к критическому уровню деполяризации); во время фазы деполяризации мембрана утрачивает возбудимость (клетка становится рефрактерной), которая постепенно восстанавливается в ходе реполяризации.
Выделяют период абсолютной рефрактерности , который в нервных клетках продолжается около 1 мс и характеризуется их полной невоз- будимостью. Период абсолютной рефрактерности возникает в результате практически полной инактивации (непроницаемости) натриевых каналов и повышения калиевой проводимости мембраны. Даже в состоянии покоя активированы не все каналы мембраны, 40% из них находятся в состоянии инактивации. При деполяризации количество инактивированных каналов увеличивается и вершина пика потенциала действия соответствует инактивации всех натриевых каналов.
По мере реполяризации мембраны происходит реактивация натриевых каналов. Это период относительной рефрактерности : потенциал действия может возникнуть только при действии более сильных (надпороговых) раздражителей.
В период отрицательного следового потенциала фаза относительной рефрактерности сменяется фазой повышенной (супернормальной) возбудимости. В этот период порог раздражения снижен по сравнению с исходным значением, поскольку мембранный потенциал ближе к критической величине, чем в состоянии покоя (рис. 2.14) .
Фаза следовой гиперполяризации, обусловленная остаточным выходом калия из клетки, напротив, характеризуется снижением
Рис. 2.13.
А - компоненты волны возбуждения: 1 -деполяризация; 2 - реполяризация; МП - мембранный потенциал; мВ - микровольт; МК - критический уровень деполяризации: а - длительность порогового потенциала; б - длительность потенциала действия; в - следовая отрицательность; г - следовая положительность; Б - изменения возбудимости в разные фазы волны возбуждения; УВ - уровень возбудимости в покое: а - повышение возбудимости в период порогового потенциала; б - падение возбудимости до нуля во время протекания потенциала действия (абсолютная рефрактерность); в, - возвращение возбудимости к исходному уровню во время следовой отрицательности (относительная рефрактерность); в 2 - повышение возбудимости в период конца следовой отрицательности (экзальтация"или супернормальность); в - весь период следовой отрицательности; г - падение возбудимости в период гиперполяризации (субнормальность)
возбудимости. Поскольку мембранный потенциал больше, чем в состоянии покоя, требуется более сильный раздражитель для его «смещения» до уровня критической деполяризации.
Таким образом, в динамике возбудительного процесса изменяется способность клетки реагировать на раздражители, т.е. возбудимость.
Рис. 2.14.
Величина мембранного потенциала: Е 0 - в покое; - в фазе экзальтации; Е 2 - в фазе гиперполяризации. Величина порогового потенциала: е 0 - в покое; е, - в фазе экзальтации; е 2 - в фазе гиперполяризации
Это имеет большое значение, поскольку в момент наибольшего возбуждения (пика потенциала действия) клетка становится абсолютно невозбудимой, что защищает ее от гибели и повреждений.
- См.: Леонтьева Н.Н., Маринова К.В. Указ. соч.
- Там же.
Исследования Ходжкина и Хаксли показали, что при возбуждении аксона кальмара возникает быстрое колебание мембранного потенциала, которое на экране осциллографа имело форму пика. Они назвали это колебание потенциалом действия (ПД). Так как электрический ток для возбудимых мембран является адекватным раздражителем, ПД можно вызвать, поместив на наружную поверхность мембраны катод, а внутреннюю анод. При токе пороговой силы МП снижается до критического уровня деполяризации (КУД), при котором начинается генерация потенциала действия.
На кривой потенциала действия выделяют следующие фазы:
·1.Локальный ответ (местная деполяризация), предшествующий развитию ПД.
·2.Фаза деполяризации. Во время этой фазы МП быстро уменьшается и достигает нулевого уровня. Уровень деполяризации растет выше 0. Поэтому мембрана приобретает противоположный заряд - внутри она становится положительной, а снаружи отрицательной. Явление смены заряда мембраны называется реверсией мембранного потенциала.
·3.Фаза реполяризации. Она начинается при достижении определенного уровня МП.
·4.Фаза следовой деполяризации. Период, когда возвращение МП к потенциалу покоя временно задерживается. Он длится 15-30 мсек.
·5.Фаза следовой гиперполяризации или следового положительного потенциала. В эту фазу, МП на некоторое время становится выше исходного уровня ПП. Ее длительность 250-300 мсек.
Возникновение ПД обусловлено изменением ионной проницаемости мембраны при возбуждении. В период локального ответа открываются медленные натриевые каналы, а быстрые остаются закрытыми, возникает временная самопроизвольная деполяризация. Когда МП достигает критического уровня, закрытые активационные ворота натриевых каналов открываются и ионы натрия лавинообразно устремляются в клетку, вызывая нарастающую деполяризацию. В эту фазу открываются и быстрые и медленные натриевые каналы.
Когда величина деполяризация приближается к равновесному потенциалу для ионов натрия (+20 мВ). сила концентрационного градиента натрия значительно уменьшается. Одновременно начинается процесс инактивации быстрых натриевых каналов и снижения натриевой проводимости мембраны. Деполяризация прекращается. Резко усиливается выход ионов калия. В некоторых клетках это происходит из-за активации специальных каналов калиевого выходящего тока. Этот ток, направленный из клетки, служит для быстрого смещения МП к уровню потенциала покоя. Т.е. начинается фаза реполяризации.
Возникновение фазы следовой деполяризации объясняется тем, что небольшая часть медленных натриевых каналов остается открытой.
Следовая гиперполяризация связана с повышенной, после ПД, калиевой проводимостью мембраны и тем, что более активно работает натрий-калиевый насос.
Изменяя проводимость быстрых натриевых и калиевых каналов можно влиять на генерацию ПД, а следовательно на возбуждение клеток. Это используется в клинике.Чем выше скорость распространения ПД по мембране клетки, ткани, тем выше ее проводимость.
Потенциа́л де́йствия - волна возбуждения , перемещающаяся по мембране живой клетки в процессе передачи нервного сигнала. По сути своей представляет электрический разряд - быстрое кратковременное изменение потенциала на небольшом участке мембраны возбудимой клетки (нейрона , мышечного волокна или железистой клетки), в результате которого наружная поверхность этого участка становится отрицательно заряженной по отношению к соседним участкам мембраны, тогда как его внутренняя поверхность становится положительно заряженной по отношению к соседним участкам мембраны. Потенциал действия является физической основой нервного или мышечного импульса , играющего сигнальную (регуляторную) роль.
Рис. 1. Схема распределения зарядов по разные стороны мембраны возбудимой клетки в спокойном состоянии (A ) и при возникновении потенциала действия (B ) (см. объяснения в тексте).
Потенциалы действия могут различаться по своим параметрам в зависимости от типа клетки и даже на различных участках мембраны одной и той же клетки. Наиболее характерный пример различий: потенциал действия сердечной мышцы и потенциал действия большинства нейронов. Тем не менее, в основе любого потенциала действия лежат следующие явления:
Мембрана живой клетки поляризована - её внутренняя поверхность заряжена отрицательно по отношению к внешней благодаря тому, что в растворе возле её внешней поверхности находится бо́льшее количество положительно заряженных частиц (катионов), а возле внутренней поверхности - бо́льшее количество отрицательно заряженных частиц (анионов).
Мембрана обладает избирательной проницаемостью - её проницаемость для различных частиц (атомов или молекул) зависит от их размеров, электрического заряда и химических свойств.
Мембрана возбудимой клетки способна быстро менять свою проницаемостъ для определённого вида катионов, вызывая переход положительного заряда с внешней стороны на внутреннюю (Рис.1 ).
Первые два свойства характерны для всех живых клеток. Третье же является особенностью клеток возбудимых тканей и причиной, по которой их мембраны способны генерировать и проводить потенциалы действия.
Фазы потенциала действия
Предспайк - процесс медленной деполяризации мембраны до критического уровня деполяризации (местное возбуждение, локальный ответ).
Пиковый потенциал, или спайк , состоящий из восходящей части (деполяризация мембраны) и нисходящей части (реполяризация мембраны).
Отрицательный следовой потенциал - от критического уровня деполяризации до исходного уровня поляризации мембраны (следовая деполяризация).
Положительный следовой потенциал - увеличение мембранного потенциала и постепенное возвращение его к исходной величине (следовая гиперполяризация).
Общие положения
Рис. 2. A. Схематичное изображение идеализированного потенциала действия.B. Реальный потенциал действия пирамидного нейронагиппокампа крысы. Форма реального потенциала действия обычно отличается от идеализированной.
Поляризация мембраны живой клетки обусловлена отличием ионного состава с её внутренней и наружной стороны. Когда клетка находится в спокойном (невозбуждённом) состоянии, ионы по разные стороны мембраны создают относительно стабильную разность потенциалов, называемуюпотенциалом покоя . Если ввести внутрь живой клеткиэлектрод и измерить мембранный потенциал покоя, он будет иметь отрицательное значение (порядка −70 - −90 мВ). Это объясняется тем, что суммарный заряд на внутренней стороне мембраны существенно меньше, чем на внешней, хотя с обеих сторон содержатся икатионы , ианионы . Снаружи - на порядок большеионов натрия ,кальция ихлора , внутри - ионовкалия и отрицательно заряженныхбелковых молекул, аминокислот, органических кислот,фосфатов ,сульфатов . Надо понимать, что речь идёт именно о заряде поверхности мембраны - в целом среда и внутри, и снаружи клетки заряжена нейтрально.
Потенциал мембраны может изменяться под действием различных стимулов. Искусственным стимулом может служить электрический ток , подаваемый на внешнюю или внутреннюю сторону мембраны через электрод. В естественных условиях стимулом часто служит химический сигнал от соседних клеток, поступающий черезсинапс или путёмдиффузной передачи через межклеточную среду. Смещение мембранного потенциала может происходить в отрицательную (гиперполяризация ) или положительную (деполяризация ) сторону.
В нервной ткани потенциал действия, как правило, возникает при деполяризации - если деполяризация мембраны нейрона достигает некоторого порогового уровня или превышает его, клетка возбуждается, и от её тела каксонам идендритам распространяется волна электрического сигнала. (В реальных условиях на теле нейрона обычно возникают постсинаптические потенциалы, которые сильно отличаются от потенциала действия по своей природе - например, они не подчиняются принципу «всё или ничего». Эти потенциалы преобразуются в потенциал действия на особом участке мембраны -аксонном холмике , так что потенциал действия не распространяется на дендриты).
Рис. 3. Простейшая схема, демонстрирующая мембрану с двумя натриевыми каналами в открытом и закрытом состоянии, соответственно
Это обусловлено тем, что на мембране клетки находятся ионные каналы - белковые молекулы, образующие в мембране поры, через которые ионы могут проходить с внутренней стороны мембраны на наружную и наоборот. Большинство каналов ионоспецифичны - натриевый канал пропускает практически только ионы натрия и не пропускает другие (это явление называют селективностью). Мембрана клеток возбудимых тканей (нервной и мышечной) содержит большое количествопотенциал-зависимых ионных каналов, способных быстро реагировать на смещение мембранного потенциала. Деполяризация мембраны в первую очередь вызывает открытие потенциал-зависимых натриевых каналов. Когда одновременно открывается достаточно много натриевых каналов, положительно заряженные ионы натрия устремляются через них на внутреннюю сторону мембраны. Движущая сила в данном случае обеспечиваетсяградиентом концентрации (с внешней стороны мембраны находится намного больше положительно заряженных ионов натрия, чем внутри клетки) и отрицательным зарядом внутренней стороны мембраны (см. Рис. 2). Поток ионов натрия вызывает ещё бо́льшее и очень быстрое изменение мембранного потенциала, которое и называютпотенциалом действия (в специальной литературе обозначается ПД).
Согласно закону «всё-или-ничего» мембрана клетки возбудимой ткани либо не отвечает на стимул совсем, либо отвечает с максимально возможной для неё на данный момент силой. То есть, если стимул слишком слаб и порог не достигнут, потенциал действия не возникает совсем; в то же время, пороговый стимул вызовет потенциал действия такой жеамплитуды , как и стимул, превышающий пороговый. Это отнюдь не означает, что амплитуда потенциала действия всегда одинакова - один и тот же участок мембраны, находясь в разных состояниях, может генерировать потенциалы действия разной амплитуды.
После возбуждения нейрон на некоторое время оказывается в состоянии абсолютной рефрактерности , когда никакие сигналы не могут его возбудить снова, затем входит в фазуотносительной рефрактерности , когда его могут возбудить исключительно сильные сигналы (при этом амплитуда ПД будет ниже, чем обычно). Рефрактерный период возникает из-за инактивации быстрого натриевого тока, то есть инактивации натриевых каналов (см. ниже).
Потенциал действия - волна возбуждения, перемещающаяся по мембране живой клетки в процессе передачи нервного сигнала. По сути своей представляетэлектрический разряд - быстрое кратковременное изменение потенциала на небольшом участке мембраны возбудимой клетки (нейрона, мышечного волокна или железистой клетки), в результате которого наружная поверхность этого участка становится отрицательно заряженной по отношению к соседним участкам мембраны, тогда как его внутренняя поверхность становится положительно заряженной по отношению к соседним участкам мембраны. Потенциал действия является физической основой нервного или мышечного импульса, играющего сигнальную (регуляторную) роль.
Потенциал действия развивается на мембране в результате её возбуждения и сопровождается резким изменением мембранного потенциала.
В потенциале действия выделяют несколько фаз:
Фаза деполяризации;
Фаза быстрой реполяризации;
Фаза медленной реполяризации (отрицательный следовый потенциал);
Фаза гиперполяризации (положительный следовый потенциал).
Фаза деполяризации. Развитие ПД возможно только при действии раздражителей, которые вызывают деполяризацию клеточной мембраны. При деполяризации клеточной мембраны до критического уровня деполяризации (КУД) происходит лавинообразное открытие потенциал чувствительных Na+- каналов. Положительно заряженные ионы Na+ входят в клетку по градиенту концентрации (натриевый ток), в результате чего мембранный потенциал очень быстро уменьшается до 0, а затем приобретает положительное значение. Явление изменения знака мембранного потенциала называют реверсией заряда мембраны.
Фаза быстрой и медленной реполяризации. В результате деполяризации мембраны происходит открытие потенциалчувствительных К+- каналов. Положительно заряженные ионы К+ выходят из клетки по градиенту концентрации (калиевый ток), что приводит к восстановлению потенциала мембраны. В начале фазы интенсивность калиевого тока высока и реполяризация происходит быстро, к концу фазы интенсивность калиевого тока снижается и реполяризация замедляется. Усиливает реполяризацию поступление в клетку Ca2+ Фаза гиперполяризации развивается за счет остаточного калиевого тока и за счет прямого электрогенного эффекта активировавшейся Na+/K+ помпы. Поступление в клетку Cl– дополнительно гиперполяризует мембрану Изменение величины мембранного потенциала во время развития потенциала действия связано в первую очередь с изменением проницаемости мембраны для ионов натрия и калия.
Современные представления о механизме его генерации
Методом фиксации мембранного потенциала удалось измерить токи, текущие через плазмолемму аксона (аксолемму) кальмара и убедиться в том, что в покое ток катионов (К +) направлен из цитоплазмы в интерстиций, а при возбуждении доминирует ток катионов (Na +) в клетку. В состоянии «покоя» плазмолемма почти непроницаема для ионов, находящихся в межклеточном пространстве(Na + С1 - и НСОз - ,).
При возбуждении проницаемость для ионов натрия на время, равное нескольким миллисекундам, резко возрастает, а затем снова падает. В результате катионы (ионы Na +) и анионы (С1 - , НСОз) разобщаются на плазмолемме: Na + входит в цитоплазму, а анионы нет. Поток положительных зарядов в цитоплазму не только компенсирует потенциал покоя, но и превышает его. Возникает так называемый «овершут» (или инверсия мембранного потенциала). Входящий поток натрия - результат его пассивного движения по открывшимся мембранным каналам по концентрационному и электрическому градиентам. Выходящий поток этого катиона обеспечивается калий-натриевой помпой.
Виды электрических ответов (электротонический потенциал, локальный ответ, потенциал действия). Механизм их возникновения.
В пpоцессе pазвития возбуждения плазматической мембpаны (изменения ее ионной пpоницаемости и электpического состояния) в зависимости от силы pаздpажителя возникает тpи вида электpических ответов:
Электpотонический потенциал
Локальный ответ
Потенциал действия
Электpотонический потенциал
Электротонический потенциал - это пассивный сдвиг величины мембранного потенциала (МП) при действии подпорогового стимула электрического тока.
1. Возникает в ответ на действие катода постоянного тока по силе воздействия меньше 0,5 поpоговой величины
2. Сопpовождается пассивной, слабо выpаженной электpотонической деполяpизацией за счет "-" заpяда катода (ионная пpоницаемость мембpаны пpактически не изменяется), котоpая наблюдается только во вpемя действия pаздpажителя
3. Развитие и исчезновение потенциала пpоисходит по экспоненциальной кpивой и опpеделяется паpаметpами
4. pаздpажающего тока, а также сопpотивлением и емкостью мембpаны
5. Такой вид возбуждения имеет местный хаpактеp и не может pапpспpостpаняться
6. Увеличивает возбудимость ткани
Механизм возникновения
Простейшая модель раздражимости при прохождении тока представляет собой процесс, при котором положительные заряды тока кратковременно разряжают, т.е. деполяризуют мембрану, что вызывает нарушение равновесия ионных потоков.
Во время деполяризации больше ионов калия (+К) покидает клетку и тем самым уравновешивается поток ионного и электрического тока, что, в свою очередь, приводит к стабилизации заряда мембранной емкости. Сдвиг потенциала, вызываемый импульсом тока, называетсяэлектротоническим потенциалом, илиэлектротоном .
Скорость нарастания электротонического потенциала определяется в основном емкостью мембраны. Однако большинство нервных клеток имеют вытянутую форму. Нервное волокно иногда достигает длины 1 м при диаметре 1 мкм. Следовательно, выходя из такой клетки, пропускаемый через нее ток будет распределяться очень неравномерно. Установлено, что по мере увеличения расстояния от источника возбуждения (тока) временной ход электротонического потенциала (электротона) постепенно замедляется. Происходит это потому, что электротон преодолевает сопротивление не только мембраны, но продольное сопротивление внутренней среды самой нервной клетки. Для малых сдвигов потенциала электротонические потенциалы в нерве можно зарегистрировать на расстоянии не более нескольких сантиметров от места их возникновения, т.е. локально.
Деполяризующий электротонический потенциал, который превышает пороговый уровень, вызывает возбуждение. Возбуждение возможно тогда, когда импульс тока имеет адекватную длительность и амплитуду. Соответственно определенный уровень длительности и амплитуды импульса тока существенно влияет на передачу информации в форме потенциала действия. В этой связи локальный характер деполяризации дендиритов, тел нервных клеток и аксонов различается.
Деполяризация дендритов и соответственно тел нервных клеток наблюдается едва достигается пороговый уровень. Происходит это потому, что деполяризация идет за счет повышения натриевой (+Nа) проницаемости мембраны, которая в дальнейшем продолжает деполяризацию автоматически.
Локальный ответ
Локальный потенциал (ЛП) - это местное нераспространяющееся подпороговое возбуждение, существующее в пределах от потенциала покоя (-70 мВ в среднем) до критического уровня деполяризации (-50 мВ в среднем). Его длительность может быть от нескольких миллисекунд до десятков минут.
1. Возникает в ответ на действие pаздpажителя силой от 0,5 до 0,9 поpога
2. Активная фоpма деполяpизации, поскольку ионная пpоницаемость повышается в зависимости от силы подпоpогового pаздpажителя
3. Гpадуален по амплитуде (амплитуда находится в пpямой зависимости от силы и частоты pаздpажений)
4. Развитие деполяpизации пpоисходит до кpитического уpовня, пpичем не пpямолинейно, а по S-обpазной кpивой. Пpи этом деполяpизация пpодолжает наpастать после пpекpащения pаздpажения, а затем сpавнительно медленно исчезает
5. Способен к суммации (пpостpанственной и вpеменной)
6. Локализуется в пункте действия pаздpажителя и пpактически не способен к pаспpостpанению, т.к. хаpактеpизуется большой степенью затухания
7. Повышает возбудимость стpуктуpы
Виды Локальных ответов(потенциалов):
1. Рецепторный. Возникает на рецепторных клетках (сенсорных рецепторах) или рецепторных окончаниях нейронов под действием стимула (раздражителя). Механизм возникновения такого рецепторного локального потенциала детально рассмотрен на примере восприятия звука слуховыми рецепторами - Молекулярные механизмы рецепции (трансдукции) звука по пунктам Этот процесс называется "трансдукция", то есть преобразование раздражения в нервное возбуждение. Сенсорные рецепторы вторичного типа не умеют порождять нервный импульс, поэтому их возбуждение остаётся локальным и от его амплитуды зависит то, сколько рецепторная клетка выбросит медиатора.
2. Генераторный . Возникает на сенсорных афферентных нейронах (на их дендритных окончаниях, перехватах Ранвье и/или аксонных холмиках) под действием медиаторов, которые выделили сенсорные клеточные рецепторы вторичного типа. Генераторный потенциал превращается в потенциал действия и нервный импульс при достижении им критического уровня деполяризации, т.е. он генерирует (порождает) нервный импульс. Потому он и назван генераторным.
3. Возбуждающий постсинаптический потенциал (ВПСП) . Возникает на постсинаптической мембране синапса, т.е. он отражает передачу возбуждения от одного нейрона к другому. Обычно он составляет +4 мВ. Важно отметить, что возбуждение передаётся от одного нейрона другому именно в виде ВПСП, а не готового нервного импульса. ВПСП вызывает деполяризацию мембраны, но подпороговую, не достигающую КУД и не способную породить нервный импульс. Поэтому обычно требуется целая серия ВПСП для того, чтобы родился нервный импульс, т.к. величина единичного ВПСП совершенно недостаточна для того, чтобы достичь критического уровня деполяризации. Вы можете сами подсчитать, сколько требуется одновременно действующих ВПСП, чтобы родился нервный импульс. (Ответ: 5-6.)
4. Тормозный постсинаптический потенциал (ТПСП) . Возникает на постсинаптической мембране синапса, но только не возбуждает её, а, наоборот, тормозит. Соотвтетственно, эта постсинаптическая мембрана входит в состав тормозного синапса , а не возбуждающего. ТПСП вызывает гиперполяризацию мембраны, т.е. сдвигает потенциал покоя вниз, подальше от нуля. Обычно он составляет -0,2 мВ. Используются два механизма создания ТПСП: 1) "хлорный" - происходит открытие ионных каналов для хлора (Cl-), через них в клетку входят ионы хлора и увеличивают её электроотрицательность, 2)"калиевый" - происходит открытие ионных каналов для калия (К+), через них выходят ионы калия, уносят из клетки положительные заряды, что увеличивает электроотрицательность в клетке.
5. Пейсмекерные потенциалы - это эндогенные близкие к синусоидальным периодические колебания мембранного потенциала с частотой 0,1-10 Гц и амплитудой 5-10 мВ. Их генерируют у себя специальные нейроны-пейсмекеры (водителями ритма) самостоятельно, без внешнего воздействия. Пейсмекерные локальные потенциалы обеспечивают периодическое достижение нейроном-пейсмекером критического уровня деполяризации и спонтанную (т.е. самопроизвольную) генерацию им потенциалов действия и, соответственно, нервных импульсов.
Механизм возникновения
Важно понять то, что процесс рождения локального потенциала начинается с открытия ионных каналов . Открытие ионных каналов - это самое главное! Их нужно открыть для того, чтобы в клетку пошёл поток ионов и принёс в неё электрические заряды. Эти ионные электрические заряды как раз и вызывают смещение электрического потенциала мембраны вверх или вниз, т.е. локальный потенциал.
натрия (Na+) , то в клетку вместе с ионами натрия попадают положительные заряды, и её потенциал смещается вверх в сторону нуля. Это - деполяризация, и так рождается возбуждающий локальный потенциал . Можно сказать, что возбуждающие локальные потенциалы порождаются натриевыми ионными каналами, когда они открываются.
Образно можно сказать и так: "Каналы открываются - потенциал рождается".
Если открываются ионные каналы для хлора (Cl-) , то в клетку вместе с ионами хлора попадают отрицательные заряды, и её потенциал смещается вниз ниже потенциала покоя. Это гиперполяризация, и таким способом рождается тормозный локальный потенциал . Можно сказать, что тормозные локальные потенциалы порождаются хлорными ионными каналами .
Существует также ещё один механизм формирования тормозных локальных потенциалов - за счёт открытия дополнительных ионных каналов для калия (К+) . В этом случае из клетки через них начинают выходить "лишние" порции ионов калия, они выносят положительные заряды и увеличивают электроотрицательность клетки, т.е. вызывают её гиперполяризацию. Таким образом, можно сказать, что тормозные локальные потенциалы порождаются дополнительными калиевыми ионными каналами .
Как видите, всё очень просто, главное - открыть нужные ионные каналы . Стимул-управляемые ионные каналы открываются раздражителем (стимулом). Хемо-управляемые ионные каналы открываются медиатором (возбуждающим или тормозным). Точнее, в зависимости от того на какие каналы (натриевые, калиевые или хлорные) будет действовать медиатор, таков будет и локальный потенциал - возбуждающий или тормозный. А медиатор как для возбуждающих локальных потенциалов, так и для тормозных, может быть одним и тем же, тут важно, какие ионные каналы будут связываться с ним своими молекулярными рецепторами - натриевые, калиевые или хлорные.
Потенциал действия
Потенциал действия – это резкое скачкообразное изменение мембранного потенциала с отрицательного на положительный и обратно.
1. Возникает пpи действие pаздpажителей поpоговой и свеpхпоpоговой силы (может возникать пpи суммации подпоpоговых pаздpажителей вследствии достижения уpовня кpитической деполяpизации)
2. Активная деполяpизация пpотекает пpактически мгновенно и pазвивается пофазно (деполяpизация, pеполяpизация)
3. Hе имеет гpадуальной зависимости от силы pаздpажителя и подчиняется закону "все или ничего". Амплитуда зависит только от свойств возбудимой ткани
4. Hе способен к суммации
5. Снижает возбудимость ткани
6. Распpостpаняется от места возникновения по всей мембpане возбудимой клетки без изменения амплитуды
Механизм возникновения
Фаза деполяризации . Развитие ПД возможно только при действии раздражителей, которые вызывают деполяризацию клеточной мембраны. При деполяризации клеточной мембраны до критического уровня деполяризации (КУД) происходит лавинообразное открытие потенциалчувствительных Na+-каналов. Положительно заряженные ионы Na+ входят в клетку по градиенту концентрации (натриевый ток), в результате чего мембранный потенциал очень быстро уменьшается до 0, а затем приобретает положительное значение. Явление изменения знака мембранного потенциала называют реверсией заряда мембраны.
Фаза быстрой и медленной реполяризации . В результате деполяризации мембраны происходит открытие потенциалчувствительных К+ -каналов. Положительно заряженные ионы К+ выходят из клетки по градиенту концентрации (калиевый ток), что приводит к восстановлению потенциала мембраны. В начале фазы интенсивность калиевого тока высока и реполяризация происходит быстро, к концу фазы интенсивность калиевого тока снижается и реполяризация замедляется.
Фаза гиперполяризации развивается за счет остаточного калиевого тока и за счет прямого электрогенного эффекта активировавшейся Na+ / K+ помпы.
Овершут – период времени, в течение которого мембранный потенциал имеет положительное значение.
Пороговый потенциал – разность между мембранным потенциалом покоя и критическим уровнем деполяризации. Величина порогового потенциала определяет возбудимость клетки – чем больше пороговый потенциал, тем меньше возбудимость клетки.
6. Возбудимость. Изменение возбудимости в процессе возбуждения.
А. Возбудимость клетки во время ее возбуждения быстро и сильно изменяется. Различают несколько фаз изменения возбудимости, каждая из которых строго соответствует определенной фазе ПД и, так же как и фазы ПД, определяется состоянием проницаемости клеточной мембраны для ионов. Схематично эти изменения представлены на рис. 3.6.б.
1. Кратковременное повышение возбудимости в начале развития ПД, когда уже возникла частичная деполяризация клеточной мембраны. Если деполяризация не достигает критической величины, то регистрируется локальный потенциал. В случае, если деполяризация достигает Екр, то развивается ПД. При замедленном развитии начальной деполяризации она оценивается как препотенциал. Возбудимость повышена потому, что клетка частично деполяризована, мембранный потенциал приближается к критическому уровню, поскольку открывается часть потенциалчувствительных быстрых Na-каналов. При этом достаточно небольшого увеличения силы раздражителя, чтобы деполяризация достигла Е кр, при которой возникает ПД.
2. Абсолютная рефракторная фаза - это полная невозбудимость клетки (возбудимость равна нулю), она соответствует пику ПД и продолжается 1-2 мс; если ПД более продолжителен, то более продолжительна и абсолютная рефракторная фаза. Клетка в этот период при любой силе раздражения не отвечает. Невозбудимость клетки в фазу деполяризации и инверсии (в первую ее половину - восходящая часть пика ПД) объясняется тем, что потенциалзависимые т -ворота Na-каналов уже открыты и ионы Na + быстро поступают в клетку по всем каналам. Те ворота Na-каналов, которые еще не успели открыться, открываются под влиянием деполяризации - уменьшения мембранного потенциала. Поэтому дополнительное раздражение клетки относительно движения ионов Na + в клетку ничего изменить не может.
Рис. 3.6. Фазовые изменения возбудимости клетки(б) во время ПД (а). 1,4 - возбудимость повышена; 2 - абсолютная рефрактерная фаза;
2. Относительная рефрактерная фаза - это период восстановления возбудимости, когда сильное раздражение может вызвать новое возбуждение (см. рис. 3.6,5, кривая 3). Относительная рефрактерная фаза соответствует конечной части фазы реполяризации от уровня Е кр ± 10 мВ и следовой гиперполяризации клеточной мембраны, что является следствием все еще повышенной проницаемости для ионов К + и избыточного выхода ионов К + -каналов из клетки. Поэтому, чтобы вызвать возбуждение в этот период, необходимо приложить более сильное раздражение, так как часть Nа + -каналов в конце реполяризации находится еще в состоянии инактивации, а выход ионов К + из клетки препятствует ее деполяризации. Кроме того, в период следовой гиперполяризации мембранный потенциал больше и, естественно, дальше отстоит от критического уровня деполяризации. Если реполяризация в конце пика ПД замедляется (см. рис. 3.6,а), то относительная рефрактерная фаза включает и период замедления реполяризации, и период гиперполяризации. Рис. 3.6.Фазовые изменениявозбудимости клетки (b) во времяПД (а).1,4-возбудимость повышена;2-абсолютная рефрактерная фаза;3-относительная рефрактерная фаза
4. Фаза экзальтации - это период повышенной возбудимости. Он соответствует следовой деполяризации. В нейронах ЦНС вслед за гиперполяризацией возможна частичная деполяризация клеточной мембраны. В эту фазу очередной ПД можно вызвать более слабым раздражением, поскольку мембранный потенциал несколько ниже обычного и оказывается ближе к критическому уровню деполяризации, что объясняют повышенной проницаемостью клеточной мембраны для ионов Nа + . Скорость протекания фазовых изменений возбудимости клетки определяет ее лабильность.
Б. Лабильность, или функциональная подвижность (Н.Е.Введенский)- это скорость протекания одного цикла возбуждения, т.е. ПД. Как видно из определения, лабильность ткани зависит от длительности ПД. Это означает, что лабильность, как и ПД, определяется скоростью перемещения ионов в клетку и из клетки, которая, в свою очередь, зависит от скорости изменения проницаемости клеточной мембраны. Особое значение при этом имеет длительность рефрактерной фазы: чем больше рефрактерная фаза, тем ниже лабильность ткани.