Какие ионы определяют мембранные потенциалы клеток. Роль натрий-калиевого насоса в формировании МПС

Любая живая клетка покрыта полупроницаемой мембраной, через которую осуществляется пассивное движение и активный избирательный транспорт положительно и отрицательно заряженных ионов. Благодаря этому переносу между наружной и внутренней поверхностью мембраны имеется разность электрических зарядов (потенциалов) – мембранный потенциал. Существует три отличающихся друг от друга проявления мембранного потенциала – мембранный потенциал покоя, местный потенциал , или локальный ответ , и потенциал действия .

Если на клетку не действуют внешние раздражители, то мембранный потенциал долго сохраняется постоянным. Мембранный потенциал такой покоящейся клетки называется мембранным потенциалом покоя. Для наружной поверхности мембраны клетки потенциал покоя всегда положителен, а для внутренней поверхности клеточной мембраны всегда отрицателен. Принято измерять потенциал покоя на внутренней поверхности мембраны, т.к. ионный состав цитоплазмы клетки более стабилен, чем межклеточной жидкости. Величина потенциала покоя относительно постоянна для каждого типа клеток. Для поперечнополосатых мышечных клеток она составляет от –50 до –90 мВ, а для нервных клеток от –50 до –80 мВ.

Причинами возникновения потенциала покоя являются разная концентрация катионов и анионов снаружи и внутри клетки, а также избирательная проницаемость для них клеточной мембраны. Цитоплазма покоящейся нервной и мышечной клетки содержит примерно в 30–50 раз больше катионов калия, в 5–15 раз меньше катионов натрия и в 10–50 раз меньше анионов хлора, чем внеклеточная жидкость.

В состоянии покоя практически все натриевые каналы мембраны клетки закрыты, а большинство калиевых каналов открыто. Всякий раз, когда ионы калия наталкиваются на открытый канал, они проходят через мембрану. Поскольку внутри клетки ионов калия гораздо больше, то осмотическая сила выталкивает их из клетки. Вышедшие катионы калия увеличивают положительный заряд на наружной поверхности клеточной мембраны. В результате выхода ионов калия из клетки должна была бы вскоре уравняться их концентрация внутри и вне клетки. Однако этому препятствует электрическая сила отталкивания положительных ионов калия от положительно заряженной наружной поверхности мембраны.

Чем больше становится величина положительного заряда на наружной поверхности мембраны, тем труднее ионам калия проходить из цитоплазмы через мембрану. Ионы калия будут выходить из клетки до тех пор, пока сила электрического отталкивания не станет равной силе осмотического давления К + . При таком уровне потенциала на мембране вход и выход ионов калия из клетки находятся в равновесии, поэтому электрический заряд на мембране в этот момент называется калиевым равновесным потенциалом . Для нейронов он равен от –80 до –90 мВ.

Поскольку в покоящейся клетке почти все натриевые каналы мембраны закрыты, то ионы Nа + поступают в клетку по концентрационному градиенту в незначительном количестве. Они лишь в очень малой степени возмещают потерю положительного заряда внутренней средой клетки, вызванную выходом ионов калия, но не могут эту потерю существенно компенсировать. Поэтому проникновение в клетку (утечка) ионов натрия приводит лишь к незначительному снижению мембранного потенциала, вследствие чего мембранный потенциал покоя имеет несколько меньшую величину по сравнению с калиевым равновесным потенциалом.

Таким образом, выходящие из клетки катионы калия совместно с избытком катионов натрия во внеклеточной жидкости создают положительный потенциал на наружной поверхности мембраны покоящейся клетки.

В состоянии покоя плазматическая мембрана клетки хорошо проницаема для анионов хлора. Анионы хлора, которых больше во внеклеточной жидкости, диффундируют внутрь клетки и несут с собой отрицательный заряд. Полного уравнивания концентраций ионов хлора снаружи и внутри клетки не происходит, т.к. этому препятствует сила электрического взаимного отталкивания одноименных зарядов. Создается хлорный равновесный потенциал, при котором вход ионов хлора в клетку и их выход из нее находятся в равновесии.

Мембрана клетки практически непроницаема для крупных анионов органических кислот. Поэтому они остаются в цитоплазме и совместно с поступающими анионами хлора обеспечивают отрицательный потенциал на внутренней поверхности мембраны покоящейся нервной клетки.

Важнейшее значение мембранного потенциала покоя состоит в том, что он создает электрическое поле, которое воздействует на макромолекулы мембраны и придает их заряженным группам определенное положение в пространстве. Особенно важно то, что это электрическое поле обусловливает закрытое состояние активационных ворот натриевых каналов и открытое состояние их инактивационных ворот (рис. 61, А). Этим обеспечивается состояние покоя клетки и готовности ее к возбуждению. Даже относительно небольшое уменьшение мембранного потенциала покоя открывает активационные «ворота» натриевых каналов, что выводит клетку из состояния покоя и дает начало возбуждению.

Разность электрических потенциалов (в вольтах или мв) между жидкостью, находящейся по одну сторону мембраны и жидкостью по другую ее сторону называется мембранным потенциалом (МП) и обозначается Vм . Величина МП живых клеток составляет обычно от -30 до -100 мв и вся эта разность потенциалов создается в областях непосредственно прилегающих с обоих сторон к клеточной мембране. Уменьшение величины МП называют деполяризацией , увеличение - гиперполяризацией , восстановление исходного значения после деполяризации - реполяризация . Мембранный потенциал существует во всех клетках, но в возбудимых тканях (нервных, мышечных, железистых), мембранный потенциал или как его еще называют в этих тканях, мембранный потенциал покоя , играет ключевую роль в реализации их физиологических функций. Мембранный потенциал обусловлен двумя основными свойствами всех эукариотических клеток: 1) асимметричным распределением ионов между вне- и внутриклеточной жидкостью, поддерживаемым метаболическими процессами; 2) Избирательной проницаемостью ионных каналов клеточных мембран. Чтобы уяснить себе как возникает МП представим себе, что некий сосуд разделен на два отсека мембраной, проницаемой только для ионов калия. Пусть в первом отсеке содержится 0,1 М, а во втором 0,01 М раствор КСl. Поскольку концентрация ионов калия (К +) в первом отсеке в 10 раз выше, чем во втором, то в начальный момент на каждые 10 ионов К + диффундирующих из отсека 1 во второй будет приходится один ион диффундирующий в обратном направлении. Так как анионы хлора (Сl-) не могут переходить через мембрану вместе с катионами калия, то во втором отсеке будет образовываться избыток положительно заряженных ионов и, напротив, в отсеке 1 окажется избыток ионов Сl-. В результате возникает трансмембранная разность потенциалов , препятствующая дальнейшей диффузии К + во второй отсек, поскольку для этого им нужно преодолеть притяжение отрицательных ионов Сl-, в момент вхождения в мембрану со стороны отсека 1 и отталкивание одноименных ионов на выходе из мембраны в отсек 2. Таким образом, на каждый ион К + , проходящий через мембрану в этот момент действуют две силы - химический градиент концентраций (или химическая разность потенциалов), способствующая переходу ионов калия из первого отсека во второй, и электрическая разность потенциалов, заставляющая ионы К + двигаться в обратном направлении. После того как эти две силы уравновесятся, количество ионов К + перемещающееся из отсека 1 в отсек 2 и обратно сравняется, установится электрохимическое равновесие . Соответствующая такому состоянию трансмембранная разность потенциалов называется равновесным потенциалом , в данном конкретном случае равновесным потенциалом для ионов калия (Ек ). В конце 19 века Вальтер Нернст установил, что равновесный потенциал зависит от абсолютной температуры, валентности диффундирующего иона и от отношения концентраций данного иона по разные стороны мембраны:

где Ех- равновесный потенциал для иона X, R - универсальная газовая постоянная = 1,987 кал/(моль град), T - абсолютная температура в градусах Кельвина, F - число Фарадея = 23060 кал/в, Z - заряд переносимого иона, [X] 1 и [X] 2 - концентрации иона в отсеках 1 и 2.

Если перейти от натурального логарифма к десятичному, то для температуры 18˚С и моновалентного иона можно записать уравнение Нернста следующим образом:

Ех= 0,058 lg

Рассчитаем с помощью уравнения Нернста калиевый равновесный потенциал для воображаемой клетки, приняв, что внеклеточная концентрация калия [К + ]н= 0,01 М, а внутриклеточная - [К + ]в = 0,1 М:

Ек= 0,058 lg = 0,058 lg=0,058 (-1) = -0,058 ‚= -58 мв

В данном случае, Ек отрицателен, поскольку ионы калия будут выходить из гипотетичной клетки, заряжая отрицательно слой цитоплазмы, прилегающий к внутренней стороне мембраны. Поскольку в данной гипотетичной системе имеется только один диффундирующий ион, то калиевый равновесный потенциал будет равен мембранному потенциалу (Ек= Vм ).

Приведенный механизм ответственен и за образование мембранного потенциала в реальных клетках, но в отличие от рассмотренной упрощенной системы, в которой через "идеальную" мембрану мог диффундировать только один ион, реальные клеточные мембраны пропускают в той или иной все неорганические ионы. Однако, чем менее мембрана проницаема для какого-либо иона, тем меньшее влияние он оказывает на МП. Учитывая это обстоятельство, Голдманом в 1943г. было предложено уравнение для расчета величины МП реальных клеток, учитывающее концентрации и относительную проницаемость через плазматическую мембрану всех диффундирующих ионов:

Vм = 0,058 lg

Используя метод меченых изотопов, Ричард Кейнс в 1954 г. определил проницаемость клеток мышц лягушки для основных ионов. Оказалось, что проницаемость для натрия примерно в 100 раз меньше, чем для калия, а ион Сl-не вносит никакого вклада в создание МП. Поэтому для мембран мышечных клеток уравнение Голдмана можно записать в следующем упрощенном виде:

Vм = 0,058 lg

Vм = 0,058 lg

Исследования с применением вводимых в клетки микроэлектродов, показали, что потенциал покоя клеток скелетных мышц лягушки колеблется от -90 до -100 мв. Такое хорошее соответствие экспериментальных данных теоретическим подтверждает, что потенциал покоя определяется диффузионными потоками неорганических ионов. При этом, в реальных клетках мембранный потенциал близок к равновесному потенциалу иона, который характеризуется максимальной трансмембранной проницаемостью, а именно к равновесному потенциалу иона калия.

А. Характеристика ПД. ПД - электрический процесс, выражаю­щийся в быстром колебании мембранного потенциала вследствие пе­ремещения ионов в клетку и т клетки и способный распространять­ся без затухания (без декремента). Он обеспечивает передачу сигна­лов между нервными клетками, между нервными центрами и рабочими органами, в мышцах - процесс электромеханического сопряжения (рис. 3.3, а).

Величина ПД нейрона колеблется в пределах 80-110 мВ, дли­тельность пика ПД нервного волокна составляет 0,5-1 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 на раздражение клетки, если оно мало, либо он 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 (подробнее см. раздел 3.6). В составе ПД различают три фазы: 1 фаза - деполяризация, т.е. исчезновение заряда клетки - уменьшение мембранного потен­циала до нуля; 2 фаза - инверсия, изменение заряда клетки на об­ратный, когда внутренняя сторона мембраны клетки заряжается положительно, а внешняя - отрицательно (от лат. туегзю - перево­рачивание); 3 фаза - реполяризация, восстановление исходного за­ряда клетки, когда внутренняя поверхность клеточной мембраны снова заряжается отрицательно, а наружная - положительно.

Б. Механизм возникновения ПД. Если действие раздражителя на клеточную мембрану приводит к возникновению ПД, далее сам процесс развития ПД вызывают фазовые изменения прони­цаемости клеточной мембраны, что обеспечивает быстрое движе­ние иона Ка + в клетку, а иона К + - из клетки. 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 разных ионов. Ес­ли заблокировать процесс выработки энергии, то ПД некоторый период времени будут возникать, но после исчезновения градиен­тов концентраций ионов (устранение потенциальной энергии) клетка генерировать ПД не будет. Рассмотрим фазы ПД.

Рис. 3.3. Схема, отражающая процесс возбуждения. а - потенциал действия, его фазы: 1 - деполяризация, 2 - инверсия (овершут), 3 - реполяризация, 4 - следовая гиперполяризация; б - натриевые ворота; (Ь-1 - в состоянии покоя клетки); в - калиевые ворота (1 - в состоянии покоя клетки). Знаки плюс (+) и минус (-) - знаки заряда внутри и вне клетки в различные фазы ПД. (См. пояснения в тексте.) Существует много различных названий фаз ПД (единого мнения не сложилось): 1) ме­стное возбуждение - пик ПД - следовые потенциалы; 2) фаза нарастания - фаза спада -следовые потенциалы; 3) деполяризация - овершут (перехлест, превышение, перелет), причем эта фаза в свою очередь делится на две част: восходящая (инверсия, ОТ лат. шуегяю - переворачивание) н нисходящая (реверсия, от лат. геуегзю - возврат) - реполя-рнзапия. Имеются и другие названия.

Отметим одно противоречие: термины «реполяризация» и «реверсия» но смыслу одинаковы - возврат к предыдущему состоя­нию, но эти состояния различны: в одном случае заряд исчезает (реверсия), в другом -восстанавливается (реполяршация). Наиболее корректны тс названия фаз ПД, в которых заложена общая идея, например изменение заряда клетки. В этой связи обоснованно ис­пользовать следующие названия фаз ПД: !) фаза деполяризации - процесс исчезновения 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 реполярпзацин - восстановление заряда клетки до исходной величины (возврат к потенциалу покоя).

1. Фаза деполяризации (см. рис. 3.3, а, 1). При действии депо­ляризующего раздражителя на клетку (медиатор, электрический ток) вначале уменьшение мембранного потенциала (частичная деполяризация) происходит без изменения проницаемости мем­браны для ионов. Когда деполяризация достигает примерно 50% пороговой величины (порогового потенциала), возрастает проницаемость ее мембраны для иона Ка + , причем в первый мо­мент сравнительно медленно. Естественно, что скорость входа ионов Ка* в клетку при этом невелика. В этот период, как и во время всей фазы деполяризации, движущей силой, обеспечи­вающей вход иона Na + в клетку, являются концентрационный и электрический градиенты. Напомним, что клетка внутри заря­жена отрицательно (разноименные заряды притягиваются друг к другу), а концентрация ионов Na+ вне клетки в 10-12 раз боль­ше, чем внутри клетки. При возбуждении нейрона повышается проницаемость его мембраны и для ионов Са+, но его ток в клетку значительно меньше, чем ионов Nа + . Условием, обеспе­чивающим вход иона Nа + в клетку и последующий выход иона К* из клетки, является увеличение проницаемости клеточной мембраны, которая определяется состоянием воротного меха­низма ионных Nа- и К-каналов. Длительность пребывания электроуправляемого канала в открытом состоянии носит вероятно­стный характер и зависит от величины мембранного потенциа­ла. Суммарный ток ионов в любой момент определяется числом открытых каналов клеточной мембраны. Воротный механизм ^-каналов расположен на внешней стороне клеточной мембра­ны (Na+ движется внутрь клетки), воротный механизм К-каналов -на внутренней (К + движется из клетки наружу).

Активация Nа- и К-каналов (открытие ворот) обеспечивается уменьшением мембранного потенциала, Когда деполяризация клетки достигает критической величины (E kp , критический уро­вень деполяризации - КУД), которая обычно составляет -50 мВ (возможны и другие величины), проницаемость мембраны для ионов Nа + резко возрастает - открывается большое число по-тенциалзависимых ворот Nа-каналов и ионы Nа + лавиной уст­ремляются в клетку. В результате интенсивного тока ионов Nа + внутрь клетки далее процесс деполяризации проходит очень бы­стро. Развивающаяся деполяризация клеточной мембраны вы­зывает дополнительное увеличение ее проницаемости и, естест­венно, проводимости ионов Na+ - открываются все новые и но­вые активационные т-ворота Nа-каналов, что придает току ионов 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 Nа+ в клетку про­должается (m - ворота Na-каналов еще открыты - h-2), поэтому число положительных ионов в клетке превосходит число отрицательных, заряд внутри клетки становится положительным, сна­ружи - отрицательным. Процесс перезарядки мембраны представ­ляет собой 2-ю фазу ПД - фазу инверсии (см. рис. 3.3, в, 2). Теперь электрический градиент препятствует входу Na+ внутрь клетки (положительные заряды отталкиваются друг от друга), прово­димость Na* снижается. Тем не менее некоторый период (доли миллисекунды) ионы Na + продолжают входить в клетку, об этом свидетельствует продолжающееся нарастание ПД. Это означает, что концентрационный градиент, обеспечивающий движение ионов Ка + в клетку, сильнее электрического, препят­ствующего входу ионов Nа* в клетку. Во время деполяризации мембраны увеличивается проницаемость ее и для ионов Са 2+ , они также идут в клетку, но в нервных клетках роль ионов Са 2+ в развитии ПД мала. Таким образом, вся восходящая часть пика ПД обеспечивается в основном входом ионов Nа* в клетку.

Примерно через 0,5-1 мс после начала деполяризации рост ПД прекращается вследствие закрытия ворот Ка-каналов (Ь-3) и открытия ворот К-каналов (в, 2), т.е. увеличения проницаемости для ионов К + . Поскольку ионы К + находятся преимущественно внутри клетки, они, согласно концентрационному градиенту, быстро выходят из клетки, вследствие чего в клетке уменьшается число положительно заряженных ионов. Заряд клетки начинает возвращаться к исходному уровню. В фазу инверсии выходу ио­нов К* из клетки способствует также электрический градиент. Ионы К* выталкиваются положительным зарядом из клетки ипритягиваются отрицательным зарядом снаружи клетки. Так продолжается до полного исчезновения положительного заряда внутри клетки - до конца фазы инверсии (см. рис. 3.3, а - пунк­тирная линия), когда начинается следующая фаза ПД - фаза реполяризации. Калий выходит из клетки не только по управляе­мым каналам, ворота которых открыты, но и по неуправляемым каналам утечки.

Амплитуда ПД складывается из величины ПП (мембранный потенциал покоящейся клетки) и величины фазы инверсии - око­ло 20 мв. Если мембранный потенциал в состоянии покоя клетки мал, то амплитуда ПД этой клетки будет небольшой.

3. Фаза реполяризации. В этой фазе проницаемость клеточной мембраны для ионов К + все еще высока, ионы К + продолжают быстро выходить из клетки согласно концентрационному гради­енту. Клетка снова внутри имеет отрицательный заряд, а снару­жи - положительный (см. рис. 3.3, а, 3), поэтому 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 действия электрического градиента. Таким образом, вся нисходящая часть пика ПД обусловлена выходом иона К + из клетки. Нередко в конце ПД наблюдается замедление реполяризации, что объясняется уменьшением проницаемости клеточной мембраны для ионов К + и замедлением выхода их из клетки вследствие закрытия ворот К-каналов. Другая причина замедления тока ионов К + связана с возрастанием положитель­ного потенциала наружной поверхности клетки и формировани­ем противоположно направленного электрического градиента.

Главную роль в возникновении ПД играет ион Na*, входящий в клетку при повышении проницаемости клеточной мембраны и обеспечивающий всю восходящую часть пика ПД. При замене иона Nа + в среде на другой ион, например холин, или в случае блокировки Na-каналов тетродотоксином, ПД в нервной клетке не возникает. Однако проницаемость мембраны для иона К + то­же играет важную роль. Если повышение проницаемости для иона К + предотвратить тетраэтиламмонием, то мембрана после ее деполяризации реполяризуется гораздо медленнее, только за счет медленных неуправляемых каналов (каналы утечки ионов), через которые К + будет выходить из клетки.

Роль ионов Са 2+ в возникновении ПД в нервных клетках не­значительна, в некоторых нейронах она существенна, например в дендритах клеток Пуркинье мозжечка.

В. Следовые явления в процессе возбуждения клетки. Эти явле­ния выражаются в гиперполяризации или частичной деполяризации клетки после возвращения мембранного потенциала к исход­ной величине (рис. 3.4).

Следовая гиперполяризация клеточной мембраны обычно яв­ляется следствием еще сохраняющейся повышенной проницае­мости клеточной мембраны для К + . 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. Ионные помпы непосредственно за фазы потенциа­ла действия не отвечают, ионы перемещаются с огромной скоростью согласно концентрационному и частично электриче­скому градиентам.

Следовая деполяризация также характерна для нейронов. Ме­ханизм ее изучен недостаточно. Возможно, она обусловлена крат­ковременным повышением проницаемости клеточной мембраны для Ка* и входом его в клетку согласно концентрационному и электрическому градиентам.

Наиболее растпространенный метод изучения функций ионных каналов - метод фиксации напряжения (voltage-clamp). Мем­бранный потенциал с помощью подачи электрического напря­жения изменяют и фиксируют на определенном уровне, затем клеточную мембрану градуально деполяризуют, что ведет к от­крытию ионных каналов и возникновению ионного тока, кото­рый мог бы деполяризовать клетку. При этом пропускают элек­трический ток, равный по величине, но противоположный по знаку ионному току, поэтому трансмембранная разность потен­циалов не изменяется. Это позволяет изучить величину ионного тока через мембрану. Применение различных блокаторов ион­ных каналов дает дополнительную возможность более глубоко изучить свойства каналов.

Количественное соотношение между ионными токами по отдельным каналам в покоящейся клетке и во время ПД и их кинетику можно выяснить с помощью метода локальной фик­сации потенциала (patch-clamp). К мембране подводят микро­электрод - присоску (внутри его создается разрежение) и, если на этом участке оказывается канал, исследуют ионный ток че­рез него. В остальном методика подобна предыдущей. И в этом случае применяют специфические блокаторы каналов. В част­ности, при подаче на мембрану фиксированного деполяри­зующего потенциала было установлено, что через Ка-каналы может проходить и ион К + , но его ток в 10-12 раз меньше, а через К-каналы может проходить ион Ма + , его ток в 100 раз меньше, чем ток ионов К + .

Запас ионов в клетке, обеспечивающий возникновение возбу­ждения (ПД), огромен. Концентрационные градиенты ионов в результате одного цикла возбуждения практически не изменя­ются. Клетка может возбуждаться до 5 * 10 5 раз без подзарядки, т.е. без работы Ма/К-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 сотен до миллиона) без участия Nа/К-насоса. Однако в тонких волокнах на возникновение одного ПД расходуется около 1% концентрационных градиентов ионов Nа + и К*. Если заблокировать выработку энергии, то клетка будет еще многократно возбуждаться. В реальной действительности Nа/К-насос постоянно переносит ионы Nа + из клетки, а ионы К + воз­вращает в клетку, в результате чего поддерживается концентра­ционный градиент Nа + и К + за счет непосредственного расхода энергии, источником которой является АТФ. Имеются данные, что увеличение внутриклеточной концентрации Nа + сопровож­дается повышением интенсивности работы Nа/К-насоса. Это может быть связано исключительно с тем, что для переносчика становится доступно большее количество внутриклеточных ио­нов Na + .

Одна из важнейших функций биологической мембраны - генерация и передача биопотенциалов. Это явление лежит в основе возбудимости клеток, регуляции внутриклеточных процессов, работы нервной системы, регуляции мышечного сокращения, рецепции. В медицине на исследование электрических полей, созданных биопотенциалами органов и тканей, основаны диагностические методы: электрокардиография, электроэнцефалография, электромиография и другие. Практикуется и лечебное воздействие на ткани и органы внешними электрическими импульсами при электростимуляции.

В процессе жизнедеятельности в клетках и тканях могут возникать разности электрических потенциалов: Δj

1) окислительно-восстановительные потенциалы - вследствие переноса электронов от одних молекул к другим;

2) мембранные - вследствие градиента концентрации ионов и переноса ионов через мембрану.

Биопотенциалы, регистрируемые в организме, - это в основном мембранные потенциалы.

Мембранным потенциалом называется разность потенциалов между внутренней (цитоплазматической) и наружной поверхностями мембраны:

j м = j нар - j вн. (1)

Прогресс в исследовании биопотенциалов обусловлен:

1) разработкой микроэлектродного метода внутриклеточного измерения потенциалов;

2) созданием специальных усилителей биопотенциалов (УПТ);

3) выбором удачных объектов исследования крупных клеток и среди них гигантского аксона кальмара. Диаметр аксона кальмара достигает 0,5 мм, что в 100 - 1000 больше, чем диаметр аксонов позвоночных животных, в том числе человека. Гигантские размеры аксона имеют большое физиологическое значение -обеспечивают быструю передачу нервного импульса по нервному волокну.

Для биофизики гигантский аксон кальмара послужил великолепным модельным объектом для изучения биопотенциалов. В гигантский аксон кальмара можно ввести микроэлектрод, не нанеся аксону значительных повреждений.

Стеклянный микроэлектрод представляет собой стеклянную микропипетку с оттянутым очень тонким кончиком (рис.5.1).

Металлический электрод такой толщины пластичен и не может проколоть клеточную мембрану, кроме того он поляризуется. Для исключения поляризации электрода используются не­поляризующиеся электроды, например серебряная проволока, покрытая солью AgCl В раствор КС1 или NaCl (желатинизированный агар-агаром), заполняющий микроэлектрод.

Второй электрод - электрод сравнения - располагается в растворе у наружной поверхности клетки. Регистрирующее устройство Р, содержащее усилитель постоянного тока, измеряет мембранный потенциал:

Рис.5.1 - Микроэлектродный метод измерения биопотенциалов

а - стеклянная микропипетка; б - стеклянный микроэлектрод;

в - схема регистрации мембранного потенциала

Микроэлектродный метод дал возможность измерить биопотенциалы не только на гигантском аксоне кальмара, но и на клетках нормальных размеров: нервных волокнах других животных, клетках скелетных мышц, клетках миокарда и других.

Мембранные потенциалы подразделяются на потенциалы покоя и потенциалы действия.

Потенциал покоя - стационарная разность электрических потенциалов, регистрируемая между внутренней и наружной поверхностями мембраны в невозбужденном состоянии.

Потенциал покоя определяется разной концентрацией ионов по разные стороны мембраны и диффузией ионов через мембрану.

Если концентрация какого-либо иона внутри клетки С вн отлична от концентрации этого иона снаружи С нар и мембрана проница­ема для этого иона, возникает поток заряженных частиц через мембрану, вследствие чего нарушается электрическая нейтральность системы, образуется разность потенциалов внутри и снаружи клетки j м = j нар - j вн которая будет препятствовать дальнейшему перемещению ионов через мембрану. При установлении равновесия выравниваются значения электрохимических потенциалов по разные стороны мембраны: m вн = m нар .

Так как m = m 0 + RTlnC + ZFj, то

RTlnC вн + ZFj вн = RTlnC нар + ZFj нар

Отсюдалегко получить формулу Нернста для равновесного мембранного потенциала

j м = j нар - j вн = - RT/ZF´ln(C вн /С нар)

Если мембранный потенциал обусловлен переносом ионов К + ,для которого [К + ] вн > [К + ] нар и Z = +1, равновесный мембранный потенциал

Для ионов Na + : вн < нар, Z = +1,

Если в формуле Нернста перейти от натурального логарифма к десятичному, то для положительного одновалентного иона (Z = +1)

Примем температуру Т=300 К, тогда

Примем в формуле Нернста С вн /С нар ≈100, что по порядку величины соответствуют экспериментальным данным для калия:

lg , и мембранный потенциал

0,06∙2В = 0,12В = 120мВ,

что несколько больше модуля экспериментально измеренных значений потенциала покоя, и, пользуясь формулами электростатики, оценим, какое количество ионов должно перейти из цитоплазмы в неклеточную среду, чтобы создать такую разность потенциалов. Радиус клетки r = 10 мкм = 10 -5 м. Удельная электроемкость мембраны (электроемкость на единицу площади) С уд =10 -2 Ф/м 2 . Площадь мембраны 4πr 2 ≈ 4π∙10 -10 м 2 ≈10 -9 м 2 . Тогда электроемкость мембраны

C=C уд ∙S≈10 -2 ∙10 -9 м 2 .

Абсолютная величина заряда каждого знака на поверхности мембраны, если ее представить себе как конденсатор,

что соответствует

Объем клетки

Изменение концентрации ионов в клетке вследствие выхода из клетки 10 -17 моль ионов составит

Небольшое изменение концентрации по сравнению с изменением концентрации ионов калия внутри клетки, составляет всего 10 -4 % от концентрации калия внутри клетки. Таким образом, чтобы создать равновесный нернстовский мембранный потенциал, через мембрану должно пройти пренебрежимо малое количество ионов по сравнению с общим их количеством в клетке.

Таким образом, потенциал покоя на самом деле ближе к потенциалу, рассчитанному по формуле Нернста для К + .Вместе с тем, обращает на себя внимание значительное расхождение экспериментальных и теоретических значений. Причины расхождения в том, что не учтена проницаемость мембраны для других ионов. Одновременная диффузия через мембрану ионов К + , Na + и С1 - учитывается уравнением Гольдмана.

Уравнение Гольдмана можно вывести из уравнения Нернста-Планка.

Преобразуем это уравнение:

URT=D согласно соотношению Эйнштейна. Примем так называемое приближение постоянного поля Гольдмана. Будем считать напряженность электрического поля в мембране постоянной и равной среднему значению градиента потенциала:

где l – толщина мембраны.

Получим для плотности ионного потока через мембрану:

Обозначим Запишем

Разделим переменные:

Проинтегрируем левую часть дифференциального уравнения в пределах от 0 до 1, а правую от С нар =КС нар до С вн =КС вн (где К – коэффициент распределения)

После потенциирования

Выразим отсюда:

Учитывая, что , получим:

В стационарном случае, когда разность потенциалов - мембранный потенциал - тормозит дальнейший перенос ионов через мембрану, суммарный поток различных ионов становится равным нулю:

j K + + j Na + - j Cl - = 0

Перед j стоит знак минус, учитывающий отрицательный заряд иона хлора. Однако, так как в создании мембранного потенциала участвуют различные ионы, равновесие при этом не наступает, потоки различных ионов не равны нулю по отдельности. Если учесть только потоки j K + и j Na + , то j K+ +j Na+ =0 , или j K = - j Na + и, подставив, получим:

Поскольку,

Если учесть еще и поток ионов С1 - , то, повторив предыдущие рассуждения, можно получить уравнение для мембранного потенциала, созданного потоками через мембрану трех видов ионов, уравнение Гольдмана:

В числителе выражения, стоящего под знаком логарифма, представлены концентрации [К + ] ВН, BH , но [С1 - ] НАР , а в знаменателе - [К + ] НАР, H АР, но [С1 - ] ВН , так как ионы хлора отрицательно заряжены.

В состоянии покоя проницаемость мембраны для ионов К + значительно больше, чем для Na + , и больше, чем для С1 - :

P K >>P Na , P K >P Na .

Для аксона кальмара, например,

P K:P Na:P Cl =1:0,04:0,45.

Переписав уравнение Гольдмана в виде:

в случае, когда проницаемость мембраны для ионов натрия и хлора значительно меньше проницаемости для калия:

P Na << P K , P Cl << P K ,

Таким образом, уравнение Нернста - частный случай уравнения Гольдмана.

Мембранный потенциал, рассчитанный по уравнению Гольдмана, оказался по абсолютной величине меньше мембранного потенциала, рассчитанного по формуле Нернста» ближе к экспериментальным его значениям в крупных клетках. И формула Нернста, и уравнение Гольдмана не учитывают активного транспорта ионов через мембрану, наличия в мембранах электрогенных (вызывающих разделение зарядов, а следовательно и возникновение разности потенциалов) ионных насосов, играющих важную роль в поддержании ионного равновесия в мелких клетках. В цитоплазматической мембране работают К + -Nа + -АТФазы, перекачивающие калий внутрь клетки, а натрий из клетки. С учетом работы электрогенных ионных насосов для мембранного потенциала было получено уравнение Томаса:

где m - отношение количества ионов натрия к количеству ионов калия, перекачиваемых ионными насосами через мембрану. Чаще всего К + -Nа + -АТФаза работает в режиме, когда m = 3/2, m всегда больше 1. (Нет ионных насосов, перекачивающих Сl , поэтому в уравнении Томаса отсутствуют члены Р Сl [Сl - ].)

Коэффициент m > 1 усиливает вклад градиента концентрации калия в создание мембранного потенциала, поэтому мембранный потенциал, рассчитанный по Томасу, больше по абсолютной величине, чем мембранный потенциал, рассчитанный по Гольману, и дает совпадение с экспериментальными значениями для мелких клеток.

Нарушение биоэнергетических процессов в клетке и работы K + -Na + -АТФазы приводит к уменьшению |φ м |, в этом случае мембранный потенциал лучше описывается уравнением Гольдмана.

Повреждение клеточной мембраны приводит к повышению проницаемости клеточных мембран для всех ионов: к повышению и P к, и P Na , и P сl Вследствие уменьшение различия проницаемостей абсолютное значение мембранного потенциала |φ м | снижается.

Для сильно поврежденных клеток |φ м | еще меньше, но сохраняется отрицательный мембранный потенциал |φ м | за счет содержащихся в клетке полианионов - отрицательно заряженных белков, нуклеиновых кислот и других крупных молекул, не могущих проникнуть через мембрану (доннановский потенциал).

Потенциал действия

Посредством электрических нервных импульсов (потенциалов действия) в живом организме передается информация от рецепторов к нейронам мозга и от нейронов мозга к мышцам. Живой организм является полностью электрифицированной системой. Без электричества нет жизни.

Потенциал действия был открыт раньше потенциала покоя. Животное электричество известно давно. Разряды электрического угря (происходящие при напряжении до 600 В, с током около 60 А и длительностью порядка миллисекунды) использовались медициной еще в Древнем Риме для лечения подагры, головной боли, эпилепсии. Электрический нервный импульс открыл Луиджи Гальвани, профессор анатомии в г. Болонья. Результаты его электрофизиологических опытов изложены в книге "Трактат о силах электричества при мышечном движении" (1791 г.). Гальвани открыл, что мышечные сокращения конечностей препарированной лягушки могут вызваться электрическим импульсом и что сама живая система является источником электрического импульса. Великое открытие Гальвани сыграло выдающуюся роль в развитии физики, электротехники, электрохимии, физиологии, биофизикии и медицины. Однако, огромная популярность идей Гальвани привела к их профанациям, следы которых остались до нашего времени (гальванизация трупов, гальванизм прикосновений взглядов и т.д.), что вызывало недоверие к экспериментам Гальвани ученых-физиков. Младший современник Гальвани профессор физики Алессандро Вольта был яростым противником идеи животного электричества (за исключением особых случаев электрических рыб: электрического угря и электрического ската). В своих экспериментах он исключил биологический объект и показал, что электрический ток может быть получен при контакте набора металлов, разделенных электролитом (вольтов столб). Так был открыт химический источник тока (названный, однако, позже, в честь его научного противника гальваническим элементом).

В XIX веке утвердилось примитивное представление о распространении электрических токов по нервам, как по проводам. Однако Гельмгольцем (вторая половина XIX века) было показано, что скорость распространения нервного импульса составляет лишь 1-100 м/с, это значительно меньше, чем скорость распространения электрического импульса по проводам до 3 10 8 м/с. Поэтому к концу XIX века гипотеза электрической природы нервного импульса была отвергнута большинством физиологов. Было выдвинуто предположение о распространении по нервным волокнам химической реакции. На самом деле, как было показано позже, медленное распространение электрического нервного импульса связано с медленной перезарядкой конденсаторов, которые представляют собой клеточные мембраны, через большие сопротивления. Постоянная времени перезарядки мембраны τ= RC велика, так как велики емкость мембраны (С) и сопротивление R нервного волокна.

То, что нервный импульс представляет собой импульс электрического тока, было доказано лишь к середине 20-го века, в основном в работах английского физиолога А. Ходжкина и его сотрудников. В1963 году Ходжкину, Хаксли и Иклсу была присуждена Нобелевская премия по медицине "за оперирование нервных клеток".

Потенциалом действия (ПД) называется электрический импульс, обусловленный изменением ионной проницаемости мембраны и связанный с распространением по нервам и мышцам волны возбуждения.

Опыты по исследованию потенциала действия проведены (в основном Ходжкиным и его сотрудниками) на гигантских аксона кальмара методом микроэлектродов с использованием высокоомных измерителей напряжения, а также методом меченых атомов. На риспоказаны схема опытов и результаты исследований.

В опытах по исследованию потенциала действия использовали два микроэлектрода, введенных в аксон. На первый микроэлектрод подается импульс с амплитудой V от генератора Г прямоугольных импульсов, меняющий мембранный потенциал. Мембранный потенциал измеряется при помощи второго микроэлектрода высокоомным регистратором напряжения Р.

Рис.5.2 - Исследование потенциала действия:

а - схема опыта (Г - генератор импульсов, Р - регистратор напряжения); б - потенциал действия (φ п м - потенциал покоя, φ рев м - потенциал реверсии, φ д м - амплитуда потенциала действия, φ пор м – пороговый потенциал)

Возбуждающий импульс вызывает лишь на короткое время смещение мембранного потенциала, который быстро пропадает и восстанавливается потенциал покоя. В том случае, когда возбуждающий импульс смещается еще дальше в отрицательную сторону, он сопровождается гиперполяризацией мембраны. Также не формируется потенциал действия, когда возбуждающий импульс положительный (деполяризующий), но его амплитуда меньше порогового значения V nop . Однако, если амплитуда положительного, деполяризующего импульса окажется больше значения V nop , φ м становится больше φ пор м и в мембране развивается процесс, в результате которого происходит резкое повышение мембранного потенциала и мембранный потенциал φ м даже меняет свой знак - становится положительным (φ вн >φ нар).

Достигнув некоторого положительного значения φ рев - потенциала реверсии, мембранный потенциал возвращается к значению потенциала покоя φ п м, совершив нечто вроде затухающего колебания. В нервных волокнах и скелетных мышцах длительность потенциала действия около 1 мс (а в сердечной мышце около 300 мс. После снятия возбуждения еще в течение 1 -3 мс в мембране наблюдаются некоторые остаточные явления, во время которых мембрана рефрактерна (невозбудима).

Новый деполяризующий потенциал V > V nop может вызвать образование нового потенциала действия только после полного возвращения мембраны в состояние покоя. Причем амплитуда потенциала действия

не зависит от амплитуды деполяризующего потенциала (если только V > V nop). Если в покое мембрана поляризована (потенциал цитоплазмы отрицателен по отношению к внеклеточной среде), то при возбуждении происходит деполяризация мембраны (потенциал внутри клетки положителен) и после снятия возбуждения происходит реполяризация мембраны.

Характерные свойства потенциала действия:

1) наличие порогового значения деполяризующего потенциала;

2) закон "все или ничего", то есть, если деполяризующий потенциал больше порогового, развивается потенциал действия, амплитуда которого не зависит от амплитуды возбуждающего импульса и нет потенциала действия, если амплитуда деполяризующего потенциала меньше пороговой;

3) есть период рефрактерности, невозбудимости мембраны во время развития потенциала действия и остаточных явлений после снятия возбуждения;

4) в момент возбуждения резко уменьшается сопротивление мембраны (у аксона кальмара от 0,1 Ом м 2 в покое до 0,0025 Ом м 2 при возбуждении).

Если обратиться к данным для значений равновесных нернстовских потенциалов, созданных различными ионами, естественно предположить, что положительный потенциал реверсии имеет натриевую природу, поскольку именно диффузия натрия создает положительную разность потенциалов между внутренней и наружной поверхностями мембраны.

Можно менять амплитуду импульса потенциала действия, изменяя концентрацию натрия в наружной среде. При уменьшении наружной концентрации натрия амплитуда потенциала действия уменьшается, так как меняется потенциал реверсии. Если из окружающей клетку среды полностью удалить натрий, потенциал действия вообще не возникает.

Опыты, проведенные с радиоактивным изотопом натрия, позволили установить, что при возбуждении проницаемость для натрия резко возрастает. Если в состоянии покоя соотношение коэффициентов проницаемости мембраны аксона кальмара для разных ионов:

P K: P Na: P Cl = 1: 0,04: 0,45

то в состоянии возбуждения:

P K: P Na: P Cl = 1: 20: 0,45

то есть, по сравнению с невозбужденным состоянием, при возбуждении коэффициент проницаемости для натрия возрастает в 500 раз.

Расчеты мембранного потенциала реверсии по уравнению Гольдмана, если в него подставить значения проницаемостей мембраны для возбужденного состояния, совпадают с экспериментальными данными.

Возбуждение мембраны описывается уравнениями Ходжкина-Хаксли. Одно из уравнений Ходжкина-Хаксли имеет вид:

где I м - ток через мембрану, С м - емкость мембраны, ∑I i - сумма ионных токов через мембрану.

Электрический ток через мембрану складывается из ионных токов: ионов калия - I k + , натрия - I Na + и других ионов, в том числе Сl, так называемого тока утечки I k , а также емкостного тока. Емкостной ток обусловлен перезарядкой конденсатора, который представляет собой мембрана, перетеканием зарядов с одной ее поверхности на другую. Его величина определяется количеством заряда, перетекающего с одной обкладки на другую за единицу времени dq/dt, а поскольку заряд конденсатоpa q = С м ∆φ = С м φ м, то емкостной ток С М . Полный мембранный ток

Согласно теории Ходжкина-Хаксли, возбуждение элемента мембраны связано с изменениями проводимости мембраны для ионов Na + и К + : g K и g Na .

Проводимости мембраны сложным образом зависят от мембранного потенциала и времени.

Обнаружено, что, если поднять мембранный потенциал (φ м выше порогового, сначала течет ток внутрь клетки, а затем из клетки наружу).

В экспериментах, проведенных Ходжкиным, Хаксли, Бейкером, Шоу, было доказано, что фаза I мембранного тока связана с потоком ионов натрия из окружающей среды (где концентрация натрия больше) в клетку (где она меньше), а фаза II объясняется вытеканием ионов калия из клетки наружу.

В своих опытах Ходжкин и Хаксли изменяли ионный состав окружающего раствора. Было обнаружено, что, если снаружи убирали натрий, первая фаза мембранного тока (ток внутрь клетки) пропадала. Следовательно, на самом деле, первая фаза развития потенциала действия связана с увеличением проницаемости мембраны для ионов натрия. Поток положительных частиц в клетку приводит к деполяризации мембраны - внутренняя ее поверхность заряжается положительно по отношению к наружной.

Во второй фазе резко увеличивается проницаемость мембраны для калия и из клетки наружу выходят положительно заряженные ионы калия, в то время как натриевый ток уменьшается. Ионный механизм развития потенциала действия был окончательно доказан в решающем эксперименте Ходжкина, Бейкера и Шоу, в котором аксоплазму препарированного аксона заменили на наружный раствор, а ионный состав наружного раствора сделали таким же, как у нормальной аксоплазмы. При такой замене ионных составов изменила знак разность потенциалов на мембране. Теперь в покое внутренняя ее поверхность была заряжена положительно по отношению к наружной. А потенциал действия оказался отрицательным.

Выдвинута гипотеза, что селективное (избирательное) изменение ионной проницаемости возбужденной мембраны: сначала для Na + , а потом для К + - объясняется тем, что в мембране имеются специальные ионные каналы. Существуют отдельно натриевые и калиевые каналы, которые открываются и закрываются во время прохождения через данный участок мембраны нервного импульса. В первой фазе - открываются натриевые каналы, во второй фазе - калиевые. Соответственно, сначала закрываются натриевые каналы, а затем калиевые. Открывание и закрывание ионных каналов вызывается изменением мембранного потенциала.

Одно из доказательств наличия в мембране ионных каналов - существование веществ, блокирующих ионные потоки через мембрану. Так, содержащийся в рыбе фугу тетродотоксин блокирует поступление внутрь клетки натрия и, таким образом, нарушает передачу нервного импульса, что может привести к летальному исходу. Доказано, что тетродотоксин не влияет на проницаемость клетки для калия, значит, ионы натрия и калия на самом деле проходят через разные каналы. Из-за своего специфического строения молекулы тетродотоксина, по-видимому, застревают в натриевых каналах. Подсчитав число застрявших в мембране молекул тетродотоксина, удалось определить количество натриевых каналов. В разных нервных волокнах позвоночных оно было разным - от 3 до 75 каналов на один квадратный микрометр площади мембраны (для сравнения количество молекул фосфолипидов ≈ 2 10 6 1/мкм 2).

Был обнаружен и специфический ингибитор калиевых каналов - тетраэтиламмоний . Если обработать мембрану тетродотоксином, блокирующим натриевые каналы, в опытах с фиксацией мембранного потенциала пропадает первая фаза, а тетраэтиламмоний прекращающий перенос через мембрану калия, вызывает исчезновение второй фазы.

Таким образом, установлено, что формирование потенциала действия вызывается ионными потоками через мембрану: сначала ионов натрия внутрь клетки, а затем - ионов калия из клетки в наружный раствор, что связано с изменением проводимости мембраны для ионов калия и натрия.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Критерии возбудимости

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

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

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

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

Механизм возникновения мембранного потенциала покоя

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

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

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

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

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

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

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

	Внутриклеточная концентрация	Внеклеточная концентрация
А- (анионы органических соединений)

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

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

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

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

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

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

Потенциал действия нервного волокна, нервный импульс

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Природа потенциала действия нервного волокна (нервного импульса)

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

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

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

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

Таблица. Сравнительная характеристика локального потенциала и потенциала действия

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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