Потенциал действия (ПД)

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

Величина ПД колеблется в пределах 80— 130 мВ, длительность пика ПД нервного во­локна — 0,5—1 мс, волокна скелетной мышцы — до 10 мс с учетом замедления ре-поляризации в конце ее. Длительность ПД сердечной мышцы —300—400 мс. Амплитуда ПД не зависит от силы раздражения — она всегда максимальна для данной клетки в конкретных условиях: ПД подчиняется зако­ну «все или ничего», но не подчиняется зако­ну силовых отношений — закону силы. ПД либо совсем не возникает при раздражении клетки, если оно мало, либо достигает мак­симальной величины, если раздражение яв­ляется пороговым или сверхпороговым. Сле­дует отметить, что слабое (подпороговое) раздражение может вызвать локальный потен­циал. Он подчиняется закону силы: с увели­чением силы стимула величина его возраста­ет. В составе ПД различают три фазы: 1 — де­поляризацию, т.е. исчезновение заряда клет­ки — уменьшение мембранного потенциала до нуля; 2 — инверсию, т.е. изменение знака заряда клетки на обратный, когда внутренняя сторона мембраны клетки заряжается поло­жительно, а внешняя — отрицательно (лат. inversio — переворачивание); 3 — реполяризацию, т.е. восстановление исходного заряда клетки, когда внутренняя поверхность кле­точной мембраны снова заряжается отрица­тельно, а наружная — положительно.

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

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

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

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

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

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

2. Фаза инверсии. После исчезновения ПП вход Na⁺ в клетку продолжается (m-ворота Na-каналов еще открыты), поэтому число положительных ионов в клетке превосходит число отрицательных ионов, заряд внутри клетки становится положительным, снару­жи — отрицательным. Процесс перезарядки мембраны представляет собой вторую фазу потенциала действия — фазу инверсии (см. рис.2, А-2). Теперь электрический гради­ент препятствует входу Na⁺ внутрь клетки (положительные заряды отталкиваются друг от друга), Na-проводимость снижается. Тем не менее, некоторый период времени (доли миллисекунды) Na⁺ продолжает входить в клетку — об этом свидетельствует продол­жающееся нарастание ПД. Это означает, что концентрационный градиент, обеспечивающий движение Na⁺ в клетку, сильнее элект­рического, препятствующего входу Na⁺ в клетку. Во время деполяризации мембраны увеличивается проницаемость ее и для Са²⁺, он также идет в клетку, но в нервных волок­нах, нейронах и клетках скелетной мускула­туры роль Са²⁺ в развитии ПД мала. В клет­ках гладкой мышцы и миокарда его роль су­щественна. Таким образом, вся восходящая часть пика ПД в большинстве случаев обеспечивается в основном входом Na⁺ в клетку.

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

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

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

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

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

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

Следовые явления в процессе возбужде­ния клетки. В конце ПД (например, в скелетной мышце) нередко наблюдается замедле­ние реполяризации, что называют отрица­тельным следовым потенциалом. Затем может быть зарегистрирована гиперпо­ляризация клеточной мембраны, что более характерно для нервных клеток. Это явление называют положительным следовым потенциалом. Вслед за ним может возникнуть частичная деполяризация клеточ­ной мембраны, которую также называют от­рицательным следовым потенциалом, как и в случае замедления фазы ре­поляризации. Во-первых, необходимо отме­тить, что имеет место терминологическая пу­таница (два разных по происхождению отри­цательных следовых потенциала). Во-вторых, замедление фазы реполяризации вообще не является следовым процессом — это часть фазы реполяризации, которая задерживается вследствие уменьшения проницаемости кле­точной мембраны для К⁺ и замедления выхода его из клетки. В-третьих, термин «потен­циал» применяется в других случаях: ПП, ПД, локальный потенциал, рецепторный по­тенциал, синаптический потенциал. Вслед за ПД возникают не потенциалы — 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 ре-поляризации, являющейся одной из фаз ПД. В сердечной и гладкой мышцах тоже наблю­дается замедленная реполяризация, но на более высоком уровне — плато.

Следовая гиперполяризация клеточной мем­браны (см. рис.2) обычно является ре­зультатом 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/K-помпа непосредственно за фазы потенциала действия не отвечает, хотя она работает непрерывно в покое и продолжа­ет работать во время развития ПД. Потенциал действия развивается благодаря движению ионов с огромной скоростью согласно кон­центрационному и частично электрическому градиентам. Возможно, Na/K-помпа способ­ствует развитию следовой гиперполяризации. В некоторых клетках, например в тонких немиелинизированных нервных волокнах (боле­вых афферентах), хорошо выражена длитель­ная следовая гиперполяризация. Она обеспе­чивается работой Na/K-насоса, активируемого процессом возбуждения (накопившимся в клетке Na⁺: на каждые 2К⁺, возвращаемых в клетку, выводится 3Na⁺ из клетки). Если бло­кировать выработку энергии, то эта гиперпо­ляризация исчезает.

Следовая деполяризация также характерна для нейронов, она может быть зарегистриро­вана и в клетках скелетной мышцы. Меха­низм ее изучен недостаточно. Возможно, это связано с кратковременным повышением проницаемости клеточной мембраны для Na⁺ и входом его в клетку согласно концентраци­онному и электрическому градиентам.

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

Поиск по сайту: