Потенциал действия. Ионный механизм возникновения потенциала действия

Потенциал действия (ПД) -- это электрофизиологический процесс, выражающийся в быстром колебании мембранного потенциала покоя вследствие перемещения ионов в клетку и из клетки и способный распространяться без декремента (без затухания). ПД обеспечивает передачу сигналов между нервными клетками, между нервными центрами и рабочими органами; в мышцах ПД обеспечивает процесс электромеханического сопряжения. Графическое изображение ПД показано на рис.1.

Рис. 1.

а -- потенциал действия, его фазы: 1 -- деполяризация; 2 -- инверсия (овершут); 3 -- реполяризация; б -- натриевые ворота (h-1 -- в состоянии покоя клетки, h-2 -- восходящая, h-3 -- нисходящая части ПД); в -- калиевые ворота (1 в состоянии покоя клетки, 2 -- в состоянии возбуждения). Знаки «плюс» (+) и «минус» (--) отражают заряд внутри и вне клетки в различные фазы ПД.

Характеристика ПД. Величина ПД колеблется в пределах 80-- 130 мВ; длительность пика ПД нервного волокна 0,5--1 мс, волокна скелетной мышцы -- до 10 мс (с учетом замедления деполяризации в ее конце), длительность ПД сердечной мышцы 300--400 мс. Амплитуда ПД не зависит от силы раздражения, она всегда максимальна для данной клетки в конкретных условиях: ПД подчиняется закону «все или ничего», но не подчиняется закону силовых отношений, т. е. закону силы. При малом раздражении клетки ПД либо совсем не возникает, либо достигает максимальной величины, если раздражение является пороговым или сверхпороговым. Следует отметить, что слабое (подпороговое) раздражение может вызвать локальный потенциал. Он подчиняется закону силы: с увеличением силы стимула величина его также возрастает.

В составе ПД различают три фазы: 1) деполяризацию, т. е. исчезновение заряда клетки (уменьшение мембранного потенциала до нуля); 2) инверсию, т.е. изменение заряда клетки на обратный, когда внутренняя сторона мембраны клетки заряжается положительно, а внешняя -- отрицательно; 3) реполяризацию, т. е. восстановление исходного заряда клетки, когда внутри клетки заряд снова становится отрицательным, а снаружи -- положительным.

Механизм возникновения ПД. Если действие раздражителя на клеточную мембрану приводит к началу развития ПД, далее сам процесс развития ПД вызывает фазовые изменения проницаемости клеточной мембраны, что обеспечивает быстрое движение Nа + в клетку, а К + -- из клетки. Это наиболее часто встречаемый вариант возникновения ПД. Величина мембранного потенциала при этом сначала уменьшается до нуля, затем заряд мембраны меняется на противоположный, а далее он восстанавливается до исходного уровня. Отмеченные изменения мембранного потенциала предстают в виде пикового потенциала -- ПД, возникающего вследствие накопленных и поддерживаемых ионными насосами градиентов концентраций ионов внутри и вне клетки, т.е. за счет потенциальной энергии в виде электрохимических градиентов ионов. Если заблокировать процесс выработки энергии, генерация ПД некоторое время сохраняется, но после исчезновения градиентов концентраций ионов (устранения потенциальной энергии) клетка генерировать ПД не будет. Рассмотрим фазы ПД.

Существует много различных названий фаз ПД (единых терминов нет). Наиболее корректны названия фаз ПД, в которых заложена общая идея изменения величин и знака заряда клетки: 1) фаза деполяризации -- процесс снижения заряда клетки до нуля; 2) фаза инверсии -- изменение заряда клетки на противоположный, т.е. весь период ПД, когда внутри клетки заряд положительный, а снаружи отрицательный; 3) фаза реполяризации -- восстановление заряда клетки до исходной величины (возврат к потенциалу покоя).

Фаза деполяризации (см. рис.1,а,1). При действии деполяризующего раздражителя на клетку, например электрического тока, начальная частичная деполяризация клеточной мембраны происходит без изменения ее проницаемости для ионов. Когда деполяризация достигает примерно 50% пороговой величины (50% порогового потенциала), возрастает проницаемость мембраны для Nа + , причем в первый момент сравнительно медленно. Естественно, что скорость входа Nа + в клетку при этом невелика. В этот период, как и во время всей первой фазы (деполяризации), движущей силой, обеспечивающей вход Nа + в клетку, являются концентрационный и электрический градиенты. Клетка внутри заряжена отрицательно (разноименные заряды притягиваются друг к другу), а концентрация Nа + вне клетки в 10-12 раз больше, чем внутри клетки. Условием, обеспечивающим вход Nа + в клетку, является увеличение проницаемости клеточной мембраны, которая определяется состоянием воротного механизма Nа + -каналов (в некоторых клетках, в частности в кардиомиоцитах и волокнах гладкой мышцы, важную роль в возникновении ПД играют управляемые каналы для Са 2+). Длительность пребывания электроуправляемого канала в открытом состоянии зависит от величины мембранного потенциала. Суммарный ток ионов в любой момент определяется числом открытых каналов клеточной мембраны. Часть ионного канала, обращенная во внеклеточное пространство, отличается от части канала, обращенной внутрь клетки. Воротный механизм Nа + -каналов расположен на внешней и внутренней сторонах клеточной мембраны, воротный механизм К + -каналов -- на внутренней (К + движется из клетки наружу). В каналах для Nа + имеются активационные m-ворота, которые расположены с внешней стороны клеточной мембраны (Nа + движется внутрь клетки во время ее возбуждения), и инактивационные h-ворота, расположенные с внутренней стороны клеточной мембраны. В условиях покоя активационные m-ворота закрыты, инактивационные h-ворота преимущественно (около 80%) открыты (см. рис.1,б,1); закрыты также калиевые активационные ворота (см. рис.1,в,1), инактивационных ворот для К + нет.

Иногда m-ворота называют быстрыми, h-ворота медленными, поскольку они в процессе возбуждения клетки реагируют позже, нежели m-ворота. Однако более поздняя реакция h-ворот связана с изменением заряда клетки, как и m-ворот, которые открываются в процессе деполяризации клеточной мембраны. Закрываются h-ворота в фазу инверсии, когда заряд внутри клетки становится положительным, что и является причиной их закрытия. При этом нарастание пика ПД прекращается. Поэтому m -ворота лучше назвать ранними, а h -ворота -- поздними.

Когда деполяризация клетки достигает критической величины (Е кр, критический уровень деполяризации -- КУД), которая обычно составляет --50 мВ (возможны и другие величины), проницаемость мембраны для Nа + резко возрастает: открывается большое число потенциалзависимых m-ворот Nа + -каналов (см. рис.1,б,2) и Nа + лавиной устремляется в клетку. Через один открытый Nа + - канал за 1 мс проходит до 6000 ионов. В результате интенсивного тока Nа + внутрь клетки процесс деполяризации проходит очень быстро. Развивающаяся деполяризация клеточной мембраны вызывает дополнительное увеличение ее проницаемости и, естественно, проводимости Nа + : открываются все новые и новые активационные m-ворота Nа + -каналов, что придает току Nа + в клетку характер регенеративного процесса. В итоге ПП исчезает, т. е. становится равным нулю. Фаза деполяризации на этом заканчивается.

Фаза инверсии. Восходящая часть. После исчезновения ПП вход в клетку Nа + продолжается (m -ворота Nа + - каналов еще открыты), поэтому число положительных ионов в клетке превосходит число отрицательных ионов, заряд внутри клетки становится положительным, снаружи -- отрицательным. Процесс перезарядки мембраны представляет собой вторую фазу потенциала действия -- фазу инверсии (см. рис.1,а,2). Теперь электрический градиент препятствует входу Nа + внутрь клетки (положительные заряды отталкиваются друг от друга), проводимость снижается. Тем не менее, некоторое время (доли миллисекунды) Nа + продолжает входить в клетку, о чем свидетельствует продолжающееся нарастание величины ПД. Это означает, что концентрационный градиент, обеспечивающий движение Nа + в клетку, сильнее электрического, препятствующего входу Nа + в клетку. Во время деполяризации мембраны увеличивается проницаемость ее и для Са 2+ , который также идет в клетку, но в нервных волокнах, нейронах и клетках скелетной мускулатуры роль Са 2+ в развитии ПД мала. В клетках гладкой мышцы и миокарда его роль существенна. Таким образом, вся восходящая часть пика ПД в большинстве случаев обеспечивается в основном входом Nа + в клетку.

Нисходящая составляющая фаза инверсии. Примерно через 0,5-- 2 мс и более после начала деполяризации (это время зависит от вида клетки) рост ПД прекращается в результате закрытия натриевых инактивационных h-ворот (см. рис.1) и открытия ворот К + -каналов, т. е. вследствие увеличения проницаемости К + и резкого возрастания выхода его из клетки (см. рис.1,в,2). Препятствует также росту пика ПД снижение электрического градиента Nа + (клетка внутри в этот момент заряжена положительно), а также выход К + из клетки по каналам утечки. Поскольку К + находится преимущественно внутри клетки, он, согласно концентрационному градиенту, начинает быстро выходить из нее, вследствие чего уменьшается число положительно заряженных ионов в клетке. Заряд клетки снова начинает уменьшаться. Во время нисходящей составляющей фазы инверсии выходу К + из клетки способствует также и электрический градиент. К + выталкивается положительным зарядом из клетки и притягивается отрицательным зарядом снаружи клетки. Так продолжается до полного исчезновения положительного заряда внутри клетки (до конца фазы инверсии, см. рис.1,а,2, пунктирная линия), когда начинается следующая фаза ПД -- фаза реполяризации. Калий выходит из клетки не только по управляемым каналам, которые открыты, но и по неуправляемым, т.е. каналам утечки, что несколько замедляет ход восходящей части ПД и ускоряет ход нисходящей составляющей ПД.

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

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

Фаза реполяризации. (см. рис.1,а,3) связана с тем, что проницаемость клеточной мембраны для К + все еще высока (активационные ворота калиевых каналов открыты), К + продолжает быстро выходить из клетки согласно концентрационному градиенту. Поскольку клетка теперь снова внутри имеет отрицательный заряд, а снаружи -- положительный (см. рис.1,а,3), электрический градиент препятствует выходу К + из клетки, что снижает его проводимость, хотя он продолжает выходить. Это объясняется тем, что действие концентрационного градиента выражено значительно сильнее электрического градиента. Таким образом, вся нисходящая часть пика ПД обусловлена выходом К + из клетки. Нередко в конце ПД наблюдается замедление реполяризации, что объясняется уменьшением проницаемости клеточной мембраны для К + и замедлением выхода его из клетки в результате закрытия ворот К + -каналов. Следующая причина замедления тока К из клетки связана с возрастанием положительного потенциала наружной поверхности клетки и формированием противоположно направленного электрического градиента.

Таким образом, главную роль в возникновении ПД играет Nа + , входящий в клетку при повышении проницаемости клеточной мембраны и обеспечивающий всю восходящую часть пика ПД. При замене Nа + в среде на другой ион, например холин, ПД в нервной и мышечной клетках скелетной мускулатуры не возникает. Однако проницаемость мембраны для К + тоже играет важную роль. Если предотвратить повышение проницаемости для К + тетраэтиламмонием, мембрана после ее деполяризации реполяризуется гораздо медленнее, только за счет медленных неуправляемых каналов (каналов утечки ионов), через которые К + будет выходить из клетки.

Роль Са 2+ в возникновении ПД в нервных и мышечных клетках скелетной мускулатуры незначительна. Однако Са 2+ играет важную роль в возникновении ПД сердечной и гладкой мышц, в передаче импульсов от одного нейрона к другому, от нервного волокна к мышечному, в обеспечении мышечного сокращения. Снижение содержания Са 2+ в крови на 50%, что иногда встречается в клинической практике, может привести к судорожным сокращениям скелетных мышц. Это объясняется значительным повышением возбудимости нервных и мышечных клеток в результате снижения ПП из-за уменьшения степени нейтрализации отрицательных фиксированных зарядов на поверхности клеточной мембраны и отрицательно заряженных карбоксильных групп интерстиция. Вследствие этого повышается реактивность нейронов, так как ПП приближается к Е кр, кроме того, начинается активация Nа + -каналов. В ответ на поступление самой незначительной импульсации нейроны начинают генерировать ПД в большом количестве, что проявляется в судорожных сокращениях скелетной мускулатуры. При этом нейроны ЦНС и нервные волокна могут разряжаться и спонтанно.

Следовые явления в процессе возбуждения клетки. В конце ПД, например в скелетной мышце, нередко наблюдается замедление реполяризации -- отрицательный следовой потенциал (рис.2,а).

Рис. 2. ПД двух клеток: а -- замедление фазы реполяризации; б -- следовые явления: 1 -- следовая гиперполяризация; 2 -- следовая деполяризация

Затем может быть зарегистрирована гиперполяризация клеточной мембраны, что более характерно для нервных клеток (рис.2,б,1). Это явление называют положительным следовым потенциалом. Вслед за ним может возникнуть частичная деполяризация клеточной мембраны, которую также называют отрицательным следовым потенциалом (рис.2,б,2), как и в случае замедления фазы реполяризации. Вслед за ПД возникают не потенциалы, а следовые явления -- сначала следовая гиперполяризация, а затем следовая деполяризация. Причем следовые явления возникают после полного восстановления мембранного потенциала до исходного уровня, но не как результат замедления фазы реполяризации, являющейся одной из фаз ПД. В сердечной и гладкой мышцах тоже наблюдается замедленная реполяризация -- плато, но на более высоком уровне.

Следовая гиперполяризация клеточной мембраны (рис. 2,б,1) обычно является следствием еще сохраняющейся повышенной проницаемости клеточной мембраны для К + , она характерна для нейронов. Активационные ворота К + -каналов еще не полностью закрыты, поэтому К + продолжает выходить из клетки согласно концентрационному градиенту, что и ведет к гиперполяризации клеточной мембраны. Постепенно проницаемость клеточной мембраны возвращается к исходной (натриевые и калиевые ворота возвращаются в исходное состояние), а мембранный потенциал становится таким же, каким он был до возбуждения клетки. Na + /К + -помпа непосредственно за фазы потенциала действия не отвечает, хотя она и продолжает работать во время развития ПД: ионы перемещаются с огромной скоростью согласно концентрационному и частично электрическому градиентам.

Следовая деполяризация (рис. 2,б,2) также характерна для нейронов, но может быть зарегистрирована и в клетках скелетной мышцы. Механизм следовой деполяризации изучен недостаточно. Возможно, она связана с кратковременным повышением проницаемости клеточной мембраны для Na + и входом его в клетку согласно концентрационному и электрическому градиентам.

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.

5. Законы раздражения: Закон силы. Закон «все или ничего»

1.Закон "все или ничего": При допороговых раздражениях клетки, ткани ответной реакции не возникает. При пороговой силе раздражителя развивается максимальная ответная реакция, поэтому увеличение силы раздражения выше пороговой не сопровождается ее усилением. В соответствии с этим законом реагирует на раздражения одиночное нервное и мышечное волокно, сердечная мышца.

2.Закон силы: Чем больше сила раздражителя, тем сильнее ответная реакция. Однако выраженность ответной реакции растет лишь до определенного максимума. Закону силы подчиняется целостная скелетная, гладкая мышца, так как они состоят из многочисленных мышечных клеток, имеющих различную возбудимость.

3.Закон силы-длительности . Между силой и длительностью действия раздражителя имеется определенная взаимосвязь. Чем сильнее раздражитель, тем меньшее время требуется для возникновения ответной реакции. Зависимость между пороговой силой и необходимой длительностью раздражения отражается кривой силы-длительности. По этой кривой можно определить ряд параметров возбудимости.

Потенциал действия (ПД) - это кратковременные высоко амплитуды и изменения МПС, возникающих при возбуждении. Основной причиной ПД является изменение проницаемости мембраны для ионов.
Рассмотрим развитие ПД на примере нервного волокна. Регистрировать ПД можно при введении одного из электродов в волокно или располагая оба электрода на его поверхности. Проследим процесс формирования ПД при внутриклеточном методе.
1. В состоянии покоя мембрана поляризована и МПС равен 90 мВ.
2. Как только начинается возбуждение, величина этого потенциала уменьшается (это уменьшение называется деполяризацией). В ряде случаев потенциал сторон мембраны меняется на противоположный (так называемый овершут). Это первая стадия ПД - деполяризация.
3. Стадия реполяризации, при которой величина разности потенциалов падает почти до первоначального уровня. Эти две фазы в пиком ПД.
4. После пика наблюдаются следовые потенциалы - следовая деполяризация и следовая гиперполяризация (гиперполяризация - увеличение разности потенциалов между сторонами мембраны). Например, было 90 мВ, а становится 100 мВ.
Развивается ПД очень быстро - за несколько миллисекунд. Параметры ПД: 1) переменный характер, поскольку меняется направление движения тока, 2) величина, которая благодаря овершута может превышать МПС; 3) время, в течение которого развиваются ПД и отдельные его стадии - деполяризация, реполяризация, следовая гиперполяризация.
Как формируется ПД. В состоянии покоя «ворота» потенциалзависимых Na +-каналов закрыты. Закрытые также «ворота» потенциалзависимых К +-каналов.
1. Во время фазы деполяризации происходит активизация Na +-Kaналив. При этом изменяется конформационный состояние белков, входящих в состав «ворот». Эти «ворота» открываются, и проницаемость мембраны для Na + увеличивается в несколько тысяч раз. Na + лавообразные входит в волокно нерва. В настоящее время К +-каналы открываются очень медленно. Так, в волокно поступает значительно больше Na +, чем выводится из него К +.
2. Реполяризация характеризуется закрытием Na +-каналов. «Ворота» на внутренней поверхности мембраны закрываются - наблюдается инактивация каналов под воздействием электрических потенциалов. Инактивация происходит медленнее, чем активация. В настоящее время ускоряется активация К +-каналов и растет диффузия К + наружу.
Таким образом, деполяризация связана преимущественно со входом Na + в волокно, а реполяризация - с выходом из него К +. Соотношение между входом Na + и выходом К + изменяется в процессе раз «витке ПД: в начале ПД входит Na + в несколько тысяч раз больше, чем получается К +, а затем выходит более К +, чем входит Na +.
Причиной следовых потенциалов дальнейшие изменения соотношения между этими двумя процессами. Во время следовой гиперполяризации много К +-каналов еще остаются открытыми и К + продолжает выходить наружу.
Восстановление ионных градиентов после ПД. Одиночные ПД изменяют разность концентраций ионов в нервном волокне и за его пределами очень мало. Но в тех случаях, когда проходит значительное количество импульсов, эта разница может быть весьма существенной.
Восстановление ионных градиентов происходит тогда за счет усиления работы Na + / K +-HacociB - в большей степени нарушается этот градиент, тем интенсивнее работают насосы. При этом используется энергия АТФ. Часть ее выделяется в виде тепла, поэтому в этих случаях наблюдается кратковременное повышение температуры волокна.
Условия необходимые для возникновения ПД. ПД возникает лишь при определенных условиях. Раздражители, действующие на волокну, могут быть разными. Чаще используется постоянный электрический ток. Он легко дозируется, мало травмирует ткань и ближайший тех раздражителей, которые существуют в живых организмах.
При каких условиях постоянный ток может зумовитК появление ПД? Ток должен быть достаточно сильным, действовать определенное время, его нарастание должно быть быстрым. Наконец, имеет значение и направление тока (действие анода или катода).
В зависимости от силы различают подпороговый (недостаточный для возникновения возбуждения), пороговый (достаточный) и надпороговый (чрезмерный) ток.
Несмотря на то что подпороговый ток не вызывает возбуждение, он все же деполяризует мембрану, и эта деполяризация тем больше, чем выше его напряжение.
Деполяризация, развивающийся при этом, называется локальным ответом и является видом местного возбуждения. Оно характеризуется тем, что не распространяется, величина его зависит от силы раздражения (закрном силовых отношений: чем больше сила раздражения, тем активнее ответ). При локальной ответа возбудимость ткани повышается. Возбудимость - это способность отвечать на раздражение и переходить в состояние возбуждения.
Если сила раздражителя достаточное (пороговая), то деполяризация достигает определенной величины, называется критическим уровнем деполяризации (Ек). Для нервного волокна, покрытого миелином, Ек составляет около 65 мВ. Таким образом, разница между МПС (Е0), равный в данном случае 90 мВ, и Ек составляет 25 мВ. Эта величина (ДЕ = Е0-Ек) очень важна для характеристики возбудимости ткани.
Когда Е0 увеличивается при деполяризации, возбудимость выше и, наоборот, снижение Е0 при гиперполяризации приводит к ее уменьшению. ГДЕ может зависеть не только от величины Е0, но и от критического уровня деполяризации (Ек).
При пороговой силе раздражителя возникает ПД. Это уже не местное возбуждение, оно способно распространяться на дальние расстояния, подлежит закону «все или ничего» (при увеличении силы раздражителя амплитуда ПД не растет). Возбудимость при развитии ПД отсутствует или значительно снижена.
ПД является одним из показателей возбуждения - активного физиологического процесса, которым живые клетки (нервные, мышечные, железистые) отвечают на раздражение. Во время возбуждения меняются метаболизм, температура клеток, нарушается ионная равновесие между цитоплазмой и внешней средой, происходит ряд других процессов.
Кроме силы постоянного тока, возникновения ПД зависит также от длительности его действия. Существует обратная пропорциональная зависимость между силой тока и длительностью его действия. Подпороговый ток даже при очень длительном воздействии не приведет возбуждения. Надпороговый ток при слишком короткой действия также не приведет к возбуждению.
Для возникновения возбуждения требуется также определенная скорость (крутизна) нарастание силы тока.
Если повышать силу тока очень медленно, то при этом будет меняться Ек и Е0 может не достичь его уровня.
Имеет значение и направление тока: ПД возникает при замыкании тока только тогда, когда катод помещается на внешней поверхности мембраны, а анод - в клетке или волокне. При прохождении тока изменяется МП. Если на поверхности лежит катод, то развивается деполяризация (возбудимость повышается), а если анод - гиперполяризация (возбудимость снижается). Знание механизмов действия электрического тока на живые объекты крайне необходимо для разработки и применения в клинике методов физиотерапии (диатермия, УВЧ, гипергидроз и др.)..
Изменение возбудимости при ПД. При локальной ответа возбудимость повышается (ДЭ уменьшается). Изменения возбудимости во время самого ПД можно заметить, если раздражать повторно в разные стадии развития ПД. Оказывается, что во время пика даже очень сильное повторное раздражение остается без ответа (период абсолютной рефрактерности). Затем возбудимость постепенно нормализуется, но она все же ниже, чем начальная (период относительной рефрактерности).
При выраженной следовой деполяризации возбудимость выше, чем первоначальная, а при положительной следового потенциала возбудимость снова снижается. Абсолютная рефрактерность объясняется инактивизациею Na + каналов и повышением проводимости К + - каналов. При относительной рефрактерности вновь активизируются Na + - каналы и снижается правиднисть К + - каналов.
Двухфазный характер ПД. Обычно в условиях, когда микроэлектрод содержится внутри клетки или волокна, наблюдается однофазный ПД. Иная картина бывает в тех случаях, когда оба электрода лежат на внешней поверхности мембраны - биполярная регистрация. Возбуждение, которое представляет собой волну электроотрицательности, перемещаясь по мембране, доходит сначала до одного электрода, затем помещается между электродами, наконец достигает второго электрода, а затем распространяется дальше. В этих условиях ПД имеет двухфазный характер. Регистрация ПД широко используется в клинике для диагностики

Раздражители

По природе раздражители подразделяют на:
• физические (звук, свет, температура, вибрация, осмотическое давление), особое значение для биологических систем имеют электрические раздражители;
• химические (ионы, гормоны, нейромедиаторы, пептиды, ксенобиотики);
• информационные (голосовые команды, условные знаки, условные стимулы).

По биологическому значению раздражители подразделяют на:
• адекватные – раздражители, для восприятия которых биологическая система имеет специальные приспособления;
• неадекватные – раздражители, не соответствующие природной специализации рецепторных клеток, на которые они действуют.

Раздражитель вызывает возбуждение только в том случае, если он достаточно силен. Порог возбуждения – минимальная сила раздражителя, достаточная для того, чтобы вызвать возбуждение клетки. Выражение «порог возбуждения» имеет несколько синонимов: порог раздражения, пороговая сила раздражителя, порог силы.

Возбуждение как активная реакция клетки на раздражитель

Реакция клетки на внешнее воздействие (раздражение) отличается от реакции небиологических систем следующими особенностями:
• энергией для реакции клетки служит не энергия раздражителя, а энергия, образующаяся в результате метаболизма в самой биологической системе;
• сила и форма реакции клетки не определяется силой и формой внешнего воздействия (если сила раздражителя выше пороговой).

В некоторых специализированных клетках реакция на раздражитель проявляется особенно интенсивно. Такую интенсивную реакцию называют возбуждением. Возбуждение – активная реакция специализированных (возбудимых) клеток на внешнее воздействие, проявляющаяся в том, что клетка начинает выполнять присущие ей специфические функции.

Возбудимая клетка может находиться в двух дискретных состояниях:
• состоянии покоя (готовность к реагированию на внешнее воздействие, совершение внутренней работы);
• состоянии возбуждения (активное выполнение специфических функций, совершение внешней работы).

В организме существует 3 типа возбудимых клеток:
• нервные клетки (возбуждение проявляется генерацией электрического импульса);
• мышечные клетки (возбуждение проявляется сокращением);
• секреторные клетки (возбуждение проявляется выбросом в межклеточное пространство биологически активных веществ).

Возбудимость – способность клетки переходить из состояния покоя в состояние возбуждения при действии раздражителя. Разные клетки имеют различную возбудимость. Возбудимость одной и той же клетки меняется в зависимости от ее функционального состояния.

Возбудимая клетка в состоянии покоя

Мембрана возбудимой клетки поляризована. Это означает, что имеется постоянная разность потенциалов между внутренней и наружной поверхностью клеточной мембраны, которую называют мембранный потенциал (МП). В состоянии покоя величина МП составляет –60…–90 мВ (внутренняя сторона мембраны заряжена отрицательно относительно наружной). Значение МП клетки в состоянии покоя называют потенциалом покоя (ПП). МП клетки можно измерять, разместив один электрод внутри, а другой снаружи клетки (рис. 1 А) .

Уменьшение МП относительно его нормального уровня (ПП) называют деполяризацией , а увеличение – гиперполяризацией . Под реполяризацией понимают восстановление исходного уровня МП после его изменения (см. рис. 1 Б).

Электрические и физиологические проявления возбуждения

Рассмотрим различные проявления возбуждения на примере раздражения клетки электрическим током (рис. 2).

При действии слабых (подпороговых) импульсов электрического тока в клетке развивается электротонический потенциал. Электротонический потенциал (ЭП) – сдвиг мембранного потенциала клетки, вызываемый действием постоянного электрического тока . ЭП есть пассивная реакция клетки на электрический раздражитель; состояние ионных каналов и транспорт ионов при этом не изменяется. ЭП не проявляется физиологической реакцией клетки. Поэтому ЭП не является возбуждением.

При действии более сильного подпорогового тока возникает более пролонгированный сдвиг МП – локальный ответ. Локальный ответ (ЛО) – активная реакция клетки на электрический раздражитель, однако состояние ионных каналов и транспорт ионов при этом изменяется незначительно. ЛО не проявляется заметной физиологической реакцией клетки. ЛО называют местным возбуждением , так как это возбуждение не распространяется по мембранам возбудимых клеток.

При действии порогового и сверхпорогового тока в клетке развивается потенциал действия (ПД). ПД характеризуется тем, что значение МП клетки очень быстро уменьшается до 0 (деполяризация), а затем мембранный потенциал приобретает положительное значение (+20…+30 мВ), т. е. внутренняя сторона мембраны заряжается положительно относительно наружной. Затем значение МП быстро возвращается к исходному уровню. Сильная деполяризация клеточной мембраны во время ПД приводит к развитию физиологических проявлений возбуждения (сокращение, секреция и др.). ПД называют распространяющимся возбуждением , поскольку, возникнув в одном участке мембраны, он быстро распространяется во все стороны.

Механизм развития ПД практически одинаков для всех возбудимых клеток. Механизм сопряжения электрических и физиологических проявлений возбуждения различен для разных типов возбудимых клеток (сопряжение возбуждения и сокращения, сопряжение возбуждения и секреции).

Устройство клеточной мембраны возбудимой клетки

В механизмах развития возбуждения участвуют 4 вида ионов: K+ , Na+ , Ca++ , Cl – (ионы Ca++ участвуют в процессах возбуждения некоторых клеток, например кардиомиоцитов, а ионы Cl – важны для развития торможения). Мембрана клетки, представляющая собой липидный бислой, непроницаема для этих ионов. В мембране существуют 2 типа специализированных интегральных белковых систем, которые обеспечивают транспорт ионов через клеточную мембрану: ионные насосы и ионные каналы.

Ионные насосы и трансмембранные ионные градиенты

Ионные насосы (помпы) – интегральные белки, которые обеспечивают активный перенос ионов против градиента концентрации. Энергией для транспорта служит энергия гидролиза АТФ. Различают Na+ / K+ помпу (откачивает из клетки Na+ в обмен на К+), Ca++ помпу (откачивает из клетки Ca++), Cl– помпу (откачивает из клетки Cl –).

В результате работы ионных насосов создаются и поддерживаются трансмембранные ионные градиенты:
• концентрация Na+, Ca++, Cl – внутри клетки ниже, чем снаружи (в межклеточной жидкости);
• концентрация K+ внутри клетки выше, чем снаружи.

Ионные каналы

Ионные каналы – интегральные белки, которые обеспечивают пассивный транспорт ионов по градиенту концентрации. Энергией для транспорта служит разность концентрации ионов по обе стороны мембраны (трансмембранный ионный градиент).

Неселективные каналы
• пропускают все типы ионов, но проницаемость для ионов K+ значительно выше, чем для других ионов;
• всегда находятся в открытом состоянии.

Селективные каналы обладают следующими свойствами:
• пропускают только один вид ионов; для каждого вида ионов существует свой вид каналов;
• могут находиться в одном из 3 состояний: закрытом, активированном, инактивированном.

Избирательная проницаемость селективного канала обеспечивается селективным фильтром , который образован кольцом из отрицательно заряженных атомов кислорода, которое находится в самом узком месте канала.

Изменение состояния канала обеспечивается работой воротного механизма , который представлен двумя белковыми молекулами. Эти белковые молекулы, так называемые активационные ворота и инактивационные ворота, изменяя свою конформацию, могут перекрывать ионный канал.

В состоянии покоя активационные ворота закрыты, инактивационные ворота открыты (канал закрыт) (рис. 3). При действии на воротную систему сигнала активационные ворота открываются и начинается транспорт ионов через канал (канал активирован). При значительной деполяризации мембраны клетки инактивационные ворота закрываются и транспорт ионов прекращается (канал инактивирован). При восстановлении уровня МП канал возвращается в исходное (закрытое) состояние.

В зависимости от сигнала, который вызывает открытие активационных ворот, селективные ионные каналы подразделяют на:
• хемочувствительные каналы – сигналом к открытию активационных ворот является изменение конформации ассоциированного с каналом белка-рецептора в результате присоединения к нему лиганда;
• потенциалчувствительные каналы – сигналом к открытию активационных ворот является снижение МП (деполяризация) клеточной мембраны до определенного уровня, который называют критическим уровнем деполяризации (КУД).

Механизм формирования потенциала покоя

Мембранный потенциал покоя образуется главным образом благодаря выходу К+ из клетки через неселективные ионные каналы. Утечка из клетки положительно заряженных ионов приводит к тому, что внутренняя поверхность мембраны клетки заряжается отрицательно относительно наружной.

Мембранный потенциал, возникающий в результате утечки К+ , называют «равновесным калиевым потенциалом» (Ек ). Его можно рассчитать по равнению Нернста

где R – универсальная газовая постоянная,
Т – температура (по Кельвину),
F – число Фарадея,
[К+] нар – концентрация ионов К+ снаружи клетки,
[К+] вн – концентрация ионов К+ внутри клетки.

ПП, как правило, очень близок к Ек, но не точно равен ему. Эта разница объясняется тем, что свой вклад в формирование ПП вносят:

• поступление в клетку Na+ и Cl– через неселективные ионные каналы; при этом поступление в клетку Cl– дополнительно гиперполяризует мембрану, а поступление Na+ – дополнительно деполяризует ее; вклад этих ионов в формирование ПП невелик, так как проницаемость неселективных каналов для Cl– и Na + в 2,5 и 25 раза ниже, чем для К+ ;

• прямой электрогенный эффект Na+ /К+ ионного насоса, возникающий в том случае, если ионный насос работает асимметрично (количество переносимых в клетку ионов K+ не равно количеству выносимых из клетки ионов Na+).

Механизм развития потенциала действия

В потенциале действия выделяют несколько фаз (рис. 4):

• 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 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.

Изменение возбудимости клетки при развитии возбуждения

Если принять уровень возбудимости клетки в состоянии физиологического покоя за норму, то в ходе развития цикла возбуждения можно наблюдать ее колебания. В зависимости от уровня возбудимости выделяют следующие состояния клетки (см. рис. 4).

• Супернормальная возбудимость (экзальтация ) – состояние клетки, в котором ее возбудимость выше нормальной. Супернормальная возбудимость наблюдается во время начальной деполяризации и во время фазы медленной реполяризации. Повышение возбудимости клетки в эти фазы ПД обусловлено снижением порогового потенциала по сравнению с нормой.

• Абсолютная рефрактерность – состояние клетки, в котором ее возбудимость падает до нуля. Никакой, даже самый сильный, раздражитель не может вызвать дополнительного возбуждения клетки. Во время фазы деполяризации клетка невозбудима, поскольку все ее Na+ -каналы уже находятся в открытом состоянии.

• Относительная рефрактерность – состояние, в котором возбуди­мость клетки значительно ниже нормальной; только очень сильные раздражители могут вызвать возбуждение клетки. Во время фазы реполяризации каналы возвращаются в закрытое состояние и возбудимость клетки постепенно восстанавливается.

• Субнормальная возбудимость характеризуется незначительным снижением возбудимости клетки ниже нормального уровня. Это уменьшение возбудимости происходит вследствие возрастания порогового потенциала во время фазы гиперполяризации.

Потенциал действия (ПД) - быстрое колебание МП - само­распространяющийся процесс, связанный с изменениями ионной проводимости мембраны, вызванными функционированием ион­ных каналов. ПД распространяется без затухания, то есть практи­чески без уменьшения амплитуды.

Проведение ПД по мембране можно сравнить с поджиганием пороховой дорожки: вспыхнувший порох немедленно воспламеняет впереди лежащие частицы, и пла­мя движется вперёд до конца дорожки.

Временной ход потенциала действия

Продолжительность потенциала действия не­рвной клетки измеряется единицами миллисекунд (мс).

Потенциалы действия , заре­гистрированные двумя электродами, один из которых находится внутри клетки, а другой - в окружающем растворе, представлены на рис. 5-3 и 5-7.

Рис. 5–3. . Вертикальная стрелка в нижней части рисунка - момент появления раздражающего стимула, на отметке –80 мВ - исходный уровень МП.

Между моментом нанесения раздражения и первым проявлени­ем ПД имеется задержка - латентный период. Латентный период соответствует времени, когда ПД движется по мембране нервной клетки от места раздражения до отводящего электрода. Под дей­ствием раздражающего стимула происходит нарастающая деполя­ризация мембраны - локальный ответ. При достижении крити­ческого уровня деполяризации, который в среднем составляет -55 мВ, начинается фаза деполяризации. В эту фазу уровень МП падает до нуля и даже приобретает положительное значение (овершут), а затем возвращается к исходному уровню (фазареполяризации). Фазы деполяризации, овершута и реполяризации образуют спайк (пик) ПД. Длительность спайка составляет 1-2 мс. После спайка наблю­дается замедление скорости спада потенциала - (раза следовой де­поляризации. После достижения исходного уровня покоя нередко наблюдается фаза следовой гиперполяризации. Эти следовые потен­циалы могут длиться десятки и сотни миллисекунд.

Ионные механизмы потенциала действия

В основе изменений мембранного потенциала (МП), происходящих в течение потенциала действия (ПД), лежат ионные механизмы. На рис. 5-7 представлены суммарные ионные токи, протекающие че­рез мембрану нервной клетки в ходе потенциала действия .

Рис. 5-7. }