Кои йони определят мембранните потенциали на клетките. Ролята на натриево-калиевата помпа при образуването на MPS

Всякакви жива клеткапокрити с полупропусклива мембрана, през която се осъществява пасивно движение и активен селективен транспорт на положително и отрицателно заредени йони. Поради този трансфер между външната и вътрешната повърхност на мембраната възниква разлика в електрическите заряди (потенциали) - мембранния потенциал. Има три различни проявления на мембранния потенциал - потенциал на мембраната в покой, локален потенциал, или локален отговор, и потенциал за действие.

Ако клетката не е засегната външни стимули, тогава мембранният потенциал остава постоянен за дълго време. Мембранният потенциал на такава клетка в покой се нарича мембранен потенциал в покой. За външната повърхност на клетъчната мембрана потенциалът на покой винаги е положителен, а за вътрешна повърхностклетъчната мембрана винаги е отрицателна. Обичайно е потенциалът на покой да се измерва на вътрешната повърхност на мембраната, т.к йонният състав на цитоплазмата на клетката е по-стабилен от този на интерстициалната течност. Големината на потенциала на покой е относително постоянна за всеки тип клетка. За набраздените мускулни клетки той варира от -50 до -90 mV, а за нервните клетки от -50 до -80 mV.

Потенциалът на покой се дължи на различна концентрация на катиони и аниониизвън и вътре в клетката, както и селективна пропускливостза тях клетъчната мембрана. Цитоплазмата на покойната нервна и мускулна клетка съдържа приблизително 30-50 пъти повече калиеви катиони, 5-15 пъти по-малко натриеви катиони и 10-50 пъти по-малко хлоридни аниони от извънклетъчната течност.

В покой почти всички натриеви канали на клетъчната мембрана са затворени, а повечето калиеви канали са отворени. Всеки път, когато калиевите йони срещнат отворен канал, те преминават през мембраната. Тъй като вътре в клетката има много повече калиеви йони, осмотичната сила ги изтласква извън клетката. Освободените калиеви катиони увеличават положителния заряд на външната повърхност на клетъчната мембрана. В резултат на освобождаването на калиеви йони от клетката, тяхната концентрация вътре и извън клетката скоро трябва да се изравни. Това обаче се предотвратява от електрическата отблъскваща сила на положителните калиеви йони от положително заредената външна повърхност на мембраната.

Колкото по-голяма е стойността на положителния заряд на външната повърхност на мембраната, толкова по-трудно е за калиевите йони да преминат от цитоплазмата през мембраната. Калиевите йони ще напуснат клетката, докато силата на електрическо отблъскване стане еднаква сила осмотичното наляганеК + . При това ниво на потенциал на мембраната влизането и излизането на калиеви йони от клетката са в равновесие, следователно електрически зарядна мембраната в тази точка се нарича калиев равновесен потенциал. За невроните тя е от -80 до -90 mV.

Тъй като почти всички натриеви канали на мембраната са затворени в клетка в покой, Na + йони навлизат в клетката по градиента на концентрация в незначително количество. Те компенсират загубата на положителен заряд само в много малка степен. вътрешна средаклетки, причинени от освобождаването на калиеви йони, но не могат значително да компенсират тази загуба. Следователно проникването в клетката (изтичане) на натриеви йони води само до леко намаляване на мембранния потенциал, в резултат на което мембранният потенциал на покой има малко по-ниска стойност в сравнение с калиевия равновесен потенциал.

По този начин калиевите катиони, напускащи клетката, заедно с излишъка от натриеви катиони в извънклетъчната течност, създават положителен потенциал върху външната повърхност на мембраната на почиващата клетка.

В покой плазмената мембрана на клетката е добре пропусклива за хлоридните аниони. Хлорните аниони, които са по-изобилни в извънклетъчната течност, дифундират в клетката и носят отрицателен заряд със себе си. Пълно изравняване на концентрациите на хлорни йони извън и вътре в клетката не се случва, т.к. това се предотвратява от електрическото взаимно отблъскване на подобни заряди. Създаден равновесен потенциал на хлора,при които влизането на хлоридните йони в клетката и излизането им от нея са в равновесие.

Клетъчната мембрана е практически непропусклива за големи аниони на органични киселини. Поради това те остават в цитоплазмата и заедно с входящите хлоридни аниони осигуряват отрицателен потенциал върху вътрешната повърхност на мембраната на почиващата нервна клетка.

Най-важното значение на мембранния потенциал на покой е, че той създава електрическо поле, което действа върху макромолекулите на мембраната и придава на техните заредени групи определена позиция в пространството. Особено важно е, че това електрическо поле определя затвореното състояние на вратите за активиране на натриевите канали и отвореното състояние на техните врати за инактивиране (фиг. 61, A). Това осигурява състоянието на покой на клетката и нейната готовност за възбуждане. Дори сравнително малко намаляване на мембранния потенциал на покой отваря активиращите "порти" на натриевите канали, което извежда клетката от нейното състояние на покой и предизвиква възбуждане.

Разликата в електрическия потенциал (във волтове или mV) между течността от едната страна на мембраната и течността от другата страна се нарича мембранен потенциал(MP) и се обозначава Vm. Големината на магнитното поле на живите клетки обикновено е от -30 до -100 mV и цялата тази потенциална разлика се създава в области, непосредствено съседни на клетъчната мембрана от двете страни. Намаляването на стойността на MF се нарича деполяризация, нараства - хиперполяризация, възстановяване на първоначалната стойност след деполяризация - реполяризация. Мембранният потенциал съществува във всички клетки, но в възбудимите тъкани (нервни, мускулни, жлезисти), мембранният потенциал или както още се нарича в тези тъкани, потенциал на мембраната в покой, играе ключова роля в изпълнението на техните физиологични функции. Мембранният потенциал се дължи на две основни свойствавсички еукариотни клетки: 1) асиметрично разпределение на йони между екстра- и вътреклетъчна течност, поддържано от метаболитни процеси; 2) Селективна пропускливост на йонните канали на клетъчните мембрани.За да разберете как възниква MF, представете си, че определен съд е разделен на две отделения от мембрана, която е пропусклива само за калиеви йони. Нека първото отделение съдържа 0,1 М, а второто 0,01 М разтвор на KCl. Тъй като концентрацията на калиеви йони (К +) в първото отделение е 10 пъти по-висока, отколкото във второто, тогава в начален моментза всеки 10 K+ йона, дифундиращи от отделение 1 към отделение 2, ще има един йон, дифундиращ в обратна посока. Тъй като хлоридните аниони (Cl-) не могат да преминат през мембраната заедно с калиевите катиони, във второто отделение ще се образува излишък от положително заредени йони и, напротив, в отделение 1 ще се появи излишък от Cl- йони. В резултат на това има трансмембранна потенциална разлика, което предотвратява по-нататъшната дифузия на K + във второто отделение, тъй като за това те трябва да преодолеят привличането на отрицателните Cl- йони в момента, в който навлизат в мембраната от отделение 1 и отблъскването на подобни йони на изхода от мембраната в отделение 2. По този начин за всеки йон К +, преминаващ през мембраната в този момент, действат две сили - градиент на химична концентрация (или химична потенциална разлика), което допринася за прехода на калиеви йони от първото отделение към второто , и електрическа разликапотенциали, карайки K + йоните да се движат в обратна посока. След като тези две сили се балансират, броят на K + йони, движещи се от отделение 1 към отделение 2 и обратно, става равен, електрохимично равновесие. Трансмембранната потенциална разлика, съответстваща на такова състояние, се нарича равновесен потенциал, в този конкретен случай, равновесният потенциал за калиеви йони ( Ек). В края на 19 век Валтер Нернст установява, че равновесният потенциал зависи от абсолютната температура, валентността на дифузиращия йон и от отношението на концентрациите на този йон към различни странимембрани:

където бившравновесен потенциал за X йон, Р-универсална газова константа = 1,987 cal/(mol deg), T- абсолютна температурав градуси Келвин, Е- число на Фарадей = 23060 cal / in, Зе зарядът на прехвърления йон, [X]1и [x]2- концентрация на йони в отделения 1 и 2.

Ако отидете от натурален логаритъмдо десетична запетая, тогава за температура от 18°C ​​и едновалентен йон уравнението на Нернст може да бъде написано, както следва:

Ex= 0,058 lg

Използвайки уравнението на Нернст, ние изчисляваме равновесния потенциал на калий за въображаема клетка, като приемем, че извънклетъчната концентрация на калий е [K +]n \u003d 0,01 M, а вътреклетъчната е [K +]v \u003d 0,1 M:

Ек= 0,058 log = 0,058 log=0,058 (-1) = -0,058 ‚= -58 mV

AT този случай, Еке отрицателен, тъй като калиевите йони ще напуснат хипотетичната клетка, зареждайки отрицателно слоя цитоплазма в съседство с вътремембрани. Тъй като в тази хипотетична система има само един дифузиращ йон, калиевият равновесен потенциал ще бъде равен на мембранния потенциал ( Ek \u003d Vm).

Този механизъм е отговорен и за формирането на мембранния потенциал в реалните клетки, но за разлика от разглежданата опростена система, при която само един йон може да дифундира през „идеалната“ мембрана, реалните клетъчни мембрани позволяват на всички неорганични йони да преминат през един или друг. Въпреки това, колкото по-малко е пропусклива мембраната за всеки йон, толкова по-малък е ефектът върху магнитното поле. Предвид това обстоятелство Голдман през 1943г. беше предложено уравнение за изчисляване на стойността на MF на реални клетки, като се вземат предвид концентрациите и относителната пропускливост през плазмената мембрана на всички дифузиращи йони:

Vm = 0,058 lg

Използвайки метода на белязаните изотопи, Ричард Кейнс през 1954 г. определя пропускливостта на мускулните клетки на жабата за основни йони. Оказа се, че пропускливостта за натрия е около 100 пъти по-малка от тази за калия, а Cl-йонът не допринася за създаването на магнитното поле. Следователно за мембраните на мускулните клетки уравнението на Голдман може да бъде написано в следната опростена форма:

Vm = 0,058 lg

Vm = 0,058 lg

Изследвания, използващи микроелектроди, поставени в клетки, показват, че потенциалът на покой на клетките на скелетните мускули на жаба варира от -90 до -100 mV. Такова добро съответствие между експерименталните и теоретичните данни потвърждава, че потенциалът на покой се определя от дифузионните потоци на неорганични йони. В същото време в реалните клетки мембранният потенциал е близък до равновесния потенциал на йона, който се характеризира с максималната трансмембранна пропускливост, а именно равновесния потенциал на калиевия йон.

А. Характеристики на PD. PD е електрически процес, изразяващ се в бърза флуктуация на мембранния потенциал поради движението на йони в клетката и Tклетки и способни да се разпространяват, без да избледняват(без намаление). Той осигурява предаване на сигнал между нервни клетки, между нервните центрове и работните органи, в мускулите - процесът на електромеханично сдвояване (фиг. 3.3, а).

Стойността на AP на неврон варира от 80-110 mV, продължителността на пика на AP на нервно влакно е 0,5-1 ms. Амплитудата на АП не зависи от силата на стимулацията, тя винаги е максимална за дадена клетка при конкретни условия: АП се подчинява на закона за всичко или нищо, но не се подчинява на закона за силовите отношения - закона на силата. AP или изобщо не се появява в отговор на клетъчна стимулация, ако е малка, или има максимална стойност, ако стимулацията е прагова или надпрагова. Трябва да се отбележи, че слабото (подпрагово) дразнене може да причини местен потенциал. Тойсе подчинява на закона за силата: с увеличаване на силата на стимула, неговата величина се увеличава (за повече подробности вижте раздел 3.6). В състава на PD се разграничават три фази: 1 фаза - деполяризация, т.е. изчезването на клетъчния заряд - намаляване на мембранния потенциал до нула; 2 фаза - инверсия, промяна на клетъчния заряд към обратната, когато вътрешната страна на клетъчната мембрана е заредена положително, а външната страна е отрицателно заредена (от лат. tuerzyu - обръщане); Фаза 3 - реполяризация, възстановяване на първоначалния заряд на клетката, когато вътрешната повърхност на клетъчната мембрана отново се зарежда отрицателно, а външната - положително.

Б. Механизмът на възникване на PD.Ако действието на стимула върху клетъчната мембрана води до появата на АР, тогава процесът на развитие на самия АР причинява фазови промени в пропускливостта на клетъчната мембрана, което осигурява бързото движение на Ka + йон в клетката, а K + йонът - извън клетката. Стойността на мембранния потенциал в същото време първо намалява, а след това отново се възстановява до първоначалното си ниво. На екрана на осцилоскопа отбелязаните промени в мембранния потенциал се появяват като пиков потенциал - PD. Възниква в резултат на градиенти на йонна концентрация, натрупани и поддържани от йонни помпи вътре и извън клетката, т.е. поради потенциална енергия под формата на електрохимични градиенти различни йони. Ако процесът на генериране на енергия е блокиран, тогава AP ще се появи за известен период от време, но след изчезването на градиентите на йонна концентрация (елиминиране на потенциалната енергия), клетката няма да генерира AP. Помислете за фазите на PD.

Ориз. 3.3. Схема, отразяваща процеса на възбуждане. а -потенциал на действие, неговите фази: 1 - деполяризация, 2 - инверсия (превишаване), 3 - реполяризация, 4 - следа хиперполяризация; б -натриева порта; (b-1 - в покой на клетката); c - калиева врата (1 - в състояние на покой на клетката). Знаците плюс (+) и минус (-) са знаците за заряда вътре и извън клетката в различни АР фази. (Вижте текста за обяснение.) Има много различни заглавияФази на PD (нямаше консенсус): 1) локално възбуждане - пик на PD - следи от потенциали; 2) фаза на нарастване - фаза на спад - следи от потенциали; 3) деполяризация - превишаване (припокриване, излишък, полет), а тази фаза от своя страна е разделена на две части: възходяща (инверсия, ОТ лат. rnzipiya. Има и други имена.

Отбелязваме едно противоречие: термините "реполяризация" и "реверсия", но значението е едно и също - връщане към предишното състояние, но тези състояния са различни: в единия случай зарядът изчезва (реверсия), в другия - се възстановява (реполяризация). Най-правилните са имената на фазите на AP, които съдържат обща идея, например промяна в заряда на клетката. В тази връзка е разумно да се използват следните имена на фазите на AP: а) фаза на деполяризация - процесът на изчезване на клетъчния заряд до нула; 2) фазата на инверсия - промяна на заряда на клетката към обратното. т.е. целият период на PD, когато зарядът вътре в клетката е положителен, а отвън - отрицателен; 3) фаза на реполяризация - възстановяване на заряда на клетката до първоначалната му стойност (връщане към потенциала на покой).

1. Фаза на деполяризация(вижте фиг. 3.3, а,един). Под действието на деполяризиращ стимул върху клетката (медиатор, електрически ток) първо настъпва намаляване на мембранния потенциал (частична деполяризация) без промяна в пропускливостта на мембраната за йони. Когато деполяризацията достигне приблизително 50% от праговата стойност (прагов потенциал), пропускливостта на нейната мембрана за Ka + йон се увеличава и в първия момент относително бавно. Естествено, скоростта на навлизане на Ka* йони в клетката в този случай е ниска. През този период, както и през цялата фаза на деполяризация, движещата силаосигуряващи навлизането на Na + йон в клетката, са концентрационният и електрическият градиент. Спомнете си, че клетката вътре е отрицателно заредена (противоположните заряди се привличат взаимно), а концентрацията на Na + йони извън клетката е 10-12 пъти по-голяма, отколкото вътре в клетката. Когато невронът е възбуден, пропускливостта на неговата мембрана също се увеличава за Ca + йони, но неговият ток в клетката е много по-малък от този на Na + йони. Условието, което осигурява навлизането на Na + йон в клетката и последващото излизане на K * йон от клетката, е повишаване на пропускливостта на клетъчната мембрана, което се определя от състоянието на механизма на вратата на Na и K йонни канали. Продължителността на електрически контролирания канал в отворено състояние е вероятностна по природа и зависи от големината на мембранния потенциал. Общият ток на йони във всеки момент се определя от броя на отворените канали на клетъчната мембрана. Гейт механизъм на ^-каналиразположен на навънклетъчна мембрана (Na + се движи в клетката), K-канал механизъм за врата- от вътрешната страна (К + се измества извън клетката).

Активирането на Na- и K-каналите (отваряне на вратата) се осигурява чрез намаляване на потенциала на мембраната.Когато деполяризацията на клетката достигне критична стойност (E kp, критичното ниво на деполяризация - CUD), което обикновено е -50 mV (възможни са и други стойности), пропускливостта на мембраната за йони Na ​​+ се увеличава рязко - голям брой зависими от напрежението врати на Na канали се отварят и Na + йони се втурват в клетката като лавина. В резултат на интензивния поток от Na + йони в клетката процесът на деполяризация протича много бързо. Развиващата се деполяризация на клетъчната мембрана води до допълнително увеличаване на нейната пропускливост и, естествено, проводимостта на Na + йони - отварят се все повече и повече активиращи порти на Na канали, което придава характер на тока на Na * йони в клетката регенеративен процес.В резултат на това PP изчезва и става равен на нула. Фазата на деполяризация завършва тук.

2. Фазова инверсия.След изчезването на PP влизането на Na + в клетката продължава (m - портите на Na-каналите са все още отворени - h-2), следователно броят на положителните йони в клетката надвишава броя на отрицателните, заряд вътре в клетката става положителен, извън - отрицателен. Процесът на презареждане на мембраната е втората фаза на PD - фазата на инверсия (виж фиг. 3.3, c, 2). Сега електрическият градиент предотвратява навлизането на Na + в клетката (положителните заряди се отблъскват взаимно), проводимостта на Na * намалява. Независимо от това, Na + йони продължават да навлизат в клетката за определен период (части от милисекунда), което се доказва от продължаващото повишаване на AP. Това означава, че концентрационният градиент, който осигурява движението на Na + йони в клетката, е по-силен от електрическия, който предотвратява навлизането на Na * йони в клетката. По време на деполяризацията на мембраната се увеличава и нейната пропускливост за Ca 2+ йони, те също отиват в клетката, но в нервните клетки ролята на Ca 2+ йони в развитието на AP е малка. Така цялата възходяща част на пика на АР се осигурява главно от навлизането на Na* йони в клетката.

Приблизително 0,5-1 ms след началото на деполяризацията, увеличаването на AP спира поради затварянето на портите на Ka-каналите (L-3) и отварянето на портите на K-каналите (c, 2), т.е. увеличаване на пропускливостта за K + йони. Тъй като K + йони са предимно вътре в клетката, те бързо напускат клетката, в съответствие с градиента на концентрация, в резултат на което броят на положително заредените йони в клетката намалява. Зарядът на клетката започва да се връща към първоначалното си ниво. Във фазата на инверсия освобождаването на K* йони от клетката също се улеснява от електрически градиент. К* йоните се изтласкват от клетката от положителния заряд и се привличат от отрицателния заряд извън клетката. Това продължава до пълното изчезване на положителния заряд вътре в клетката - до края на фазата на инверсия (виж фиг. 3.3, а -пунктирана линия), когато започва следващата фаза на PD - фазата на реполяризация. Калият напуска клетката не само през контролирани канали, чиито врати са отворени, но и през неконтролирани канали за изтичане.

Амплитудата на АР е сумата от стойността на РР (мембранния потенциал на клетката в покой) и стойността на фазата на инверсия - около 20 mV. Ако мембранният потенциал в състояние на покой на клетката е малък, тогава амплитудата на AP на тази клетка ще бъде малка.

3. фаза на реполяризация.В тази фаза пропускливостта на клетъчната мембрана за K + йони е все още висока, K + йони продължават бързо да напускат клетката според концентрационния градиент. Клетката отново има отрицателен заряд вътре и положителен заряд отвън (виж Фиг. 3.3, а, 3), така че електрическият градиент предотвратява излизането на K * от клетката, което намалява нейната проводимост, въпреки че продължава да напуска. Това се дължи на факта, че действието на концентрационния градиент е изразено значително по-силен от действиетоелектрически градиент. По този начин цялата низходяща част от пика на АР се дължи на освобождаването на K+ йон от клетката. Често в края на AP има забавяне на реполяризацията, което се обяснява с намаляване на пропускливостта на клетъчната мембрана за K + йони и забавяне на излизането им от клетката поради затварянето на K-канала порти. Друга причина за забавянето на тока на K + йони е свързана с увеличаване на положителния потенциал на външната повърхност на клетката и образуването на противоположно насочен електрически градиент.

Основна роля за възникването на ПД има йон Na*, който навлиза в клетката с повишаване на пропускливостта на клетъчната мембрана и осигурява цялата възходяща част на пика на АР. Когато Na + йонът в средата е заменен с друг йон, например холин, или когато Na каналите са блокирани от тетродотоксин, АР не се появява в нервната клетка. Въпреки това, пропускливостта на мембраната за K + йон също играе важна роля. Ако увеличаването на пропускливостта за K + йон се предотврати от тетраетиламоний, тогава мембраната след нейната деполяризация се реполяризира много по-бавно, само поради бавни неконтролирани канали (канали за изтичане на йони), през които K + ще напусне клетката.

Ролята на йоните Ca 2+ при появата на PD в нервните клетки е незначителен, в някои неврони е значителен, например в дендритите на церебеларните клетки на Purkinje.

Б. Следови явления в процеса на клетъчно възбуждане.Тези явления се изразяват в хиперполяризация или частична деполяризация на клетката след връщане на мембранния потенциал към първоначалната му стойност (фиг. 3.4).

следа хиперполяризацияклетъчна мембрана обикновено е следствие от все още оставащата повишена пропускливост на клетъчната мембрана за K +. Вратите на K-каналите все още не са напълно затворени, така че K + продължава да напуска клетката според концентрационния градиент, което води до хиперполяризация на клетъчната мембрана. Постепенно пропускливостта на клетъчната мембрана се връща в първоначалното си състояние (натриевите и калиеви врати се връщат в първоначалното си състояние) и мембранният потенциал става същият, какъвто е бил преди възбуждането на клетката. Йонните помпи не са пряко отговорни за фазите на акционния потенциал,йоните се движат с голяма скорост според концентрацията и отчасти електрическите градиенти.

следова деполяризациясъщо характерни за невроните. Механизмът му не е добре разбран. Може би се дължи на краткотрайно повишаване на пропускливостта на клетъчната мембрана за Са* и навлизането му в клетката според концентрационните и електрическите градиенти.

Най-често срещаният метод за изследване на функциите на йонните канали е методът на напрежението. Мембранният потенциал се променя и фиксира на определено ниво чрез прилагане на електрическо напрежение, след което клетъчната мембрана постепенно се деполяризира, което води до отваряне на йонни канали и появата на йонен ток, който може да деполяризира клетката. В този случай се пропуска електрически ток, равен по големина, но противоположен по знак, на йонния ток, така че трансмембранната потенциална разлика не се променя. Това позволява да се изследва големината на йонния ток през мембраната. Използването на различни блокери на йонни канали дава допълнителна възможност за по-задълбочено изследване на свойствата на каналите.

Количествената връзка между йонните токове през отделните канали в клетка в покой и по време на PD и тяхната кинетика могат да бъдат определени с помощта на метода на локално затягане на потенциала (patch-clamp). До мембраната се подвежда микроелектрод - вендуза (вътре в нея се създава вакуум) и при наличие на канал в тази зона се изследва йонният ток през него. Останалата част от метода е подобна на предишната. И в този случай се използват специфични блокери на канали. По-специално, когато към мембраната се приложи фиксиран деполяризиращ потенциал, беше установено, че K + йонът може също да премине през Ka каналите, но неговият ток е 10-12 пъти по-малък, а Ma + йонът може да премине през K канали, неговият ток е 100 пъти по-малък от тока на K + йони.

Запасът от йони в клетката, който осигурява възникването на възбуждане (AP), е огромен. Концентрационните градиенти на йони практически не се променят в резултат на един цикъл на възбуждане. Клетката може да се възбуди до 5 * 10 5 пъти без презареждане, т.е. без работа на Ma/K-помпата. Броят на импулсите, които едно нервно влакно генерира и провежда, зависи от неговата дебелина, което определя доставката на йони. Колкото по-дебело е нервното влакно, толкова по-голямо е снабдяването с йони, толкова повече импулси може да генерира (от няколкостотин до милион) без участието на Na / K-помпата. Въпреки това, в тънките влакна, около 1% от концентрационните градиенти на Na + и K * йони се изразходват за появата на един TD. Ако блокирате производството на енергия, тогава клетката ще бъде многократно възбудена. Реално Na/K помпата непрекъснато транспортира Na+ йони извън клетката и връща K+ йони в клетката, в резултат на което се поддържа концентрационният градиент на Na+ и K+ поради директната консумация на енергия, чийто източник е АТФ. Има доказателства, че повишаването на вътреклетъчната концентрация на Na + е придружено от увеличаване на интензивността на работата на Na / K-помпата. Това може да се дължи единствено на факта, че по-голямо количество вътреклетъчни Na ​​+ йони става достъпно за носителя.

Една от най-важните функции биологична мембрана- генериране и трансфер на биопотенциали. Това явление е в основата на възбудимостта на клетките, регулирането на вътреклетъчните процеси, функционирането на нервната система, регулирането на мускулната контракция и рецепцията. В медицината диагностичните методи се основават на изследването на електрическите полета, създадени от биопотенциалите на органите и тъканите: електрокардиография, електроенцефалография, електромиография и др. Терапевтичният ефект върху тъканите и органите се упражнява и чрез външни електрически импулси по време на електрическа стимулация.

В процеса на жизнена дейност в клетките и тъканите могат да възникнат разлики в електрическите потенциали: Δj

1) редокс потенциали - поради прехвърлянето на електрони от една молекула към друга;

2) мембранни - поради градиента на концентрация на йони и преноса на йони през мембраната.

Биопотенциалите, регистрирани в тялото, са главно мембранни потенциали.

Мембранен потенциалнаречена потенциална разлика между вътрешната (цитоплазмена) и външната повърхност на мембраната:

j m \u003d j изход - j вътрешен.(1)

Напредъкът в изследването на биопотенциалите се дължи на:

1) разработване на микроелектроден метод за вътреклетъчно измерване на потенциали;

2) създаването на специални усилватели на биопотенциали (UPT);

3) избор на успешни обекти за изследване на големи клетки и сред тях гигант аксон на калмари.Диаметърът на аксона на калмарите достига 0,5 mm, което е със 100 - 1000 повече от диаметъра на аксоните на гръбначните животни, включително човека. Гигантските размери на аксона са от голямо физиологично значение - те осигуряват бързото предаване на нервен импулс по нервното влакно.

За биофизиката гигантският аксон на калмар е служил като отличен модел на обект за изучаване на биопотенциали. Микроелектрод може да бъде вмъкнат в аксон на гигантски калмар, без да причинява значително увреждане на аксона.

Стъкленият микроелектрод е стъклена микропипета с много тънък връх, изваден навън (Фиг. 5.1 ).

Метален електрод с такава дебелина е пластичен и не може да пробие клетъчната мембрана, освен това е поляризиран. За да се избегне поляризацията на електрода, се използват неполяризиращи се електроди, като сребърна тел, покрита със сол. AgClв разтвор KS1или NaCl(желатинизиран с агар-агар), запълващ микроелектрода.

Вторият електрод - референтният електрод - се намира в разтвора на външната повърхност на клетката. Записващото устройство P, съдържащо DC усилвател, измерва потенциала на мембраната:

Фиг.5.1 - Микроелектроден метод за измерване на биопотенциали

а - стъклена микропипета; б - стъклен микроелектрод;

c - схема за регистриране на потенциала на мембраната

Микроелектродният метод дава възможност да се измерват биопотенциалите не само на гигантския аксон на калмари, но и на клетки с нормален размер: нервни влакна на други животни, клетки на скелетни мускули, клетки на миокарда и др.

Мембранните потенциали се делят на потенциали на покой и потенциали на действие.

потенциал за почивка- стационарна електрическа потенциална разлика, регистрирана между вътрешната и външната повърхност на мембраната в невъзбудено състояние.

Потенциалът на покой се определя от различните концентрации на йони от различните страни на мембраната и дифузията на йони през мембраната.

Ако концентрацията на всеки йон вътре в клетката C ext е различна от концентрацията на този йон извън C ext и мембраната е пропусклива за този йон, през мембраната възниква поток от заредени частици, в резултат на което електрическата неутралност на системата се нарушава, образува се потенциална разлика вътре и извън клетката j m = j nar - j вътр което ще предотврати по-нататъшното движение на йони през мембраната. Когато се установи равновесие, стойностите на електрохимичните потенциали от противоположните страни на мембраната се изравняват: m ext = m ext .

защото m = m0 + RTlnC + ZFj, тогава

RTlnC ext + ZFj ext = RTlnC ext + ZFj ext

Оттук се стига лесно Формула на Нернстза равновесния мембранен потенциал

j m \u003d j nar - j ext \u003d - RT / ZF´ln (C ext / C nar)

Ако мембранният потенциал се дължи на преноса на K + йони, за които [K + ] ext > [K + ] ex и Z = +1, равновесният мембранен потенциал

За Na + йони: вътр< нар, Z = +1,

Ако във формулата на Нернст преминем от натурален логаритъм към десетичен логаритъм, тогава за положителен едновалентен йон (Z = +1)

Тогава да вземем температурата T=300 K

Да вземем формулата на Нернст С ext /С nar ≈100, която отговаря по ред на величината на експерименталните данни за калий:

lg и мембранен потенциал

0,06∙2V = 0,12V = 120mV,

което е малко по-голямо от модула на експериментално измерените стойности на потенциала на покой и, използвайки формулите на електростатиката, ние оценяваме колко йони трябва да преминат от цитоплазмата към неклетъчната среда, за да се създаде такъв потенциал разлика. Радиус на клетката r = 10 µm = 10 -5 м. Специфичен електрически капацитет на мембраната (електрически капацитет на единица площ) С удари =10 -2 F/m 2 . Площ на мембраната 4πr 2 ≈ 4π∙10 -10 m 2 ≈10 -9 m 2. След това капацитетът на мембраната

C=C бие ∙S≈10 -2 ∙10 -9 м 2.

Абсолютната стойност на заряда на всеки знак на повърхността на мембраната, ако я разглеждаме като кондензатор,

което съответства

Обем на клетката

Промяната в концентрацията на йони в клетката поради освобождаването на 10 -17 mol йони от клетката ще бъде

дребни париконцентрацията в сравнение с промяната в концентрацията на калиеви йони вътре в клетката е само 10 -4% от концентрацията на калий вътре в клетката. По този начин, за да се създаде равновесен нернстов мембранен потенциал, пренебрежимо малък брой йони трябва да преминат през мембраната в сравнение с общия им брой в клетката.

По този начин потенциалът на покой всъщност е по-близо до потенциала, изчислен по формулата на Нернст за К +.В същото време е забележимо значително несъответствие между експерименталните и теоретичните стойности. Причината за несъответствието е, че не е отчетена пропускливостта на мембраната за други йони. Едновременната дифузия през мембраната на K +, Na + и C1 - йони се взема предвид от уравнението на Голдман.

Уравнението на Голдман може да бъде получено от уравнението на Нернст-Планк.

Нека трансформираме това уравнение:

URT=D според връзката на Айнщайн. Взимаме така нареченото приближение постоянно полеГолдман. Ще вземем предвид напрежението електрическо полев мембраната е постоянна и равна на средната стойност на градиента на потенциала:

където ле дебелината на мембраната.

Получаваме за плътността на йонния поток през мембраната:

Обозначете Да пишем

Нека разделим променливите:

Ние интегрираме лявата страна диференциално уравнениев диапазона от 0 до 1 и вдясно от C nar \u003d KS nar до C ext \u003d KS ext (където K е коефициентът на разпределение)

След потенциране

Нека го изразим от тук:

Имайки предвид това, получаваме:

В стационарния случай, когато потенциалната разлика - мембранният потенциал - инхибира по-нататъшния трансфер на йони през мембраната, общият поток от различни йони става равен на нула:

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

Преди йима знак минус, като се вземе предвид отрицателният заряд на хлорния йон. Но тъй като различни йони участват в създаването на мембранния потенциал, в този случай не настъпва равновесие, потоците на различните йони не са равни на нула поотделно. Имайки предвид само потоците jK +и j Na +, тогава j K+ +j Na+ =0, или j K = - j Na +и замествайки, получаваме:

защото,

Ако вземем предвид и потока от йони C1 -, тогава, повтаряйки предишното разсъждение, можем да получим уравнение за мембранния потенциал, създаден от потоците през мембраната на три вида йони, Уравнение на Голдман:

Числителят на израза под знака на логаритъма представлява концентрациите [K +] BH, BH, но [C1 -] HAR, а в знаменателя - [K +] NAR, H AR,но [С1 - ] HVзащото хлоридните йони са отрицателно заредени.

В покой пропускливостта на мембраната за K + йони е много по-голяма, отколкото за Na +, и повече, отколкото за C1 -:

PK >>P Na, PK >P Na.

За аксона на калмари, например,

PK:P Na:PC1=1:0,04:0,45.

Пренаписване на уравнението на Голдман като:

в случай, че пропускливостта на мембраната за натриеви и хлорни йони е много по-малка от пропускливостта за калиеви:

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

По този начин уравнението на Нернст е специален случай на уравнението на Голдман.

Мембранният потенциал, изчислен съгласно уравнението на Голдман, се оказа по-малък по абсолютна стойност от мембранния потенциал, изчислен съгласно формулата на Нернст, по-близо до неговите експериментални стойности в големи клетки. Както формулата на Нернст, така и уравнението на Голдман не отчитат активния транспорт на йони през мембраната, наличието в мембраните на електрогенни (причиняващи разделяне на заряда и следователно появата на потенциална разлика) йонни помпи, които играят важна роля роля в поддържането на йонното равновесие в малките клетки. В цитоплазмената мембрана K + -Na + -ATPases работят, изпомпвайки калий в клетката и натрий извън клетката. Като се вземе предвид работата на електрогенните йонни помпи, за мембранния потенциал получихме уравнение на томас:

където m е съотношението на броя натриеви йони към броя на калиеви йони, изпомпвани през мембраната от йонни помпи. Най-често K + -Na + -ATPase работи в режим, когато m = 3/2, m винаги е по-голямо от 1. (Няма изпомпване на йонни помпи кл, така че няма членове P в уравнението на Томас кл [Cl -].)

Коефициентът m > 1 увеличава приноса на градиента на концентрация на калий за създаването на мембранния потенциал; следователно мембранният потенциал, изчислен според Томас, е по-голям по абсолютна стойност от мембранния потенциал, изчислен според Голман, и е в съответствие с експерименталните стойности за малки клетки.

Нарушаването на биоенергийните процеси в клетката и работата на K + -Na + -ATPase води до намаляване на |φ m |, в този случай мембранният потенциал е по-добре описан от уравнението на Голдман.

Увреждането на клетъчната мембрана води до увеличаване на пропускливостта на клетъчните мембрани за всички йони: до увеличаване както на P до, така и на P Na и P cl Поради намаляване на разликата в пропускливостта, абсолютната стойност на мембраната потенциал |φ m | намалява.

За силно увредени клетки |φ m | дори по-малко, но отрицателният мембранен потенциал |φ m | поради съдържащите се в клетката полианиони – отрицателно заредени протеини, нуклеинови киселини и други големи молекули, които не могат да проникнат през мембраната (потенциал на Донан).

потенциал за действие

Чрез електрически нервни импулси (потенциали на действие) в живия организъм информацията се предава от рецепторите към мозъчните неврони и от мозъчните неврони към мускулите. Живият организъм е напълно електрифицирана система. Няма живот без електричество.

Потенциалът на действие е открит преди потенциала на покой. Животинското електричество е известно отдавна. Електрически разряди на змиорки (възникващи при напрежение до 600 V, с ток около 60 A и продължителност от порядъка на милисекунда) са били използвани от медицината в древен Рим за лечение на подагра, главоболие и епилепсия. Електрическият нервен импулс е открит от Луиджи Галвани, професор по анатомия в Болоня. Резултатите от неговите електрофизиологични експерименти са изложени в книгата "Трактат за силите на електричеството в мускулното движение" (1791). Галвани откри, че мускулните контракции на крайниците на разчленена жаба могат да бъдат причинени от електрически импулс и че самата жива система е източникът на електрическия импулс. Голямото откритие на Галвани изигра изключителна роля в развитието на физиката, електротехниката, електрохимията, физиологията, биофизиката и медицината. Въпреки това, огромната популярност на идеите на Галвани доведе до тяхното сквернословие, чиито следи са останали до наше време (галванизиране на трупове, галванизъм на докосващи погледи и др.), Което накара физиците да не вярват на експериментите на Галвани. По-младият съвременник на Галвани, професорът по физика Алесандро Волта, беше яростен противник на идеята за животинско електричество (с изключение на специалните случаи на електрически риби: електрическа змиорка и електрически скат). В своите експерименти той изключва биологичния обект и показва, че електрически ток може да се получи чрез контакт с набор от метали, разделени от електролит (волтаичен стълб). Така беше открит химически източник на ток (наречен обаче по-късно в чест на своя научен противник - галванична клетка).

През 19-ти век се създава примитивна идея за разпространението на електрически ток през нервите, като през жици. Въпреки това Хелмхолц (втората половина на 19 век) показва, че скоростта на разпространение на нервния импулс е само 1-100 m/s, което е много по-малко от скоростта на разпространение на електрически импулс през проводници до 3 10 8 Госпожица. Следователно до края на 19 век хипотезата за електрическата природа на нервния импулс е отхвърлена от повечето физиолози. Предполага се, че химическа реакция се разпространява по нервните влакна. Всъщност, както беше показано по-късно, бавното разпространение на електрически нервен импулс е свързано с бавно презареждане на кондензаторите, които са клетъчни мембрани, чрез големи съпротивления. Времевата константа на презареждане на мембраната τ= RC е голяма, тъй като мембранният капацитет (C) и съпротивлението R на нервното влакно са големи.

Фактът, че нервният импулс е импулс на електрически ток, е доказан едва в средата на 20 век, главно в трудовете на английския физиолог А. Ходжкин и неговите сътрудници. През 1963 г. Ходжкин, Хъксли и Икълс са удостоени с Нобелова награда за медицина „за техните операции върху нервните клетки“.

Потенциал за действие (AP) наречен електрически импулс поради промяна в йонната пропускливост на мембраната и свързан с разпространението на вълна на възбуждане през нервите и мускулите.

Проведени са експерименти за изследване на потенциала на действие (главно от Ходжкин и неговите сътрудници) върху гигантски аксони на калмари по метода на микроелектродите, използващи високоомни измервателни уреди, както и по метода на белязаните атоми. Фигурата показва схемата на експериментите и резултатите от изследването.

В експерименти за изследване на потенциала на действие са използвани два микроелектрода, поставени в аксона. Към първия микроелектрод се прилага импулс с амплитуда V от генератор G на правоъгълни импулси, който променя потенциала на мембраната. Мембранният потенциал се измерва с помощта на втори микроелектрод с рекордер на напрежение с високо съпротивление R.

Фиг.5.2 - Изследване на потенциала за действие:

а - схема на експеримента (G - импулсен генератор, P - записващо устройство на напрежение); b - потенциал на действие (φ p m - потенциал на покой, φ rev m - потенциал на реверсия, φ d m - амплитуда на потенциала на действие, φ thor m - прагов потенциал)

Възбудният импулс предизвиква изместване на мембранния потенциал само за кратко време, което бързо изчезва и потенциалът на покой се възстановява. В случай, че възбуждащият импулс е изместен още повече в отрицателна посока, това е придружено от хиперполяризация на мембраната. Също така, потенциал за действие не се формира, когато възбуждащият импулс е положителен (деполяризиращ), но неговата амплитуда е по-малка от праговата стойност V nop. Ако обаче амплитудата на положителния, деполяризиращ импулс се окаже по-голяма от стойността на V nop, φ m става по-голяма от φ pore m и в мембраната се развива процес, в резултат на който настъпва рязко повишаване на мембранният потенциал и мембранният потенциал φ m дори променя знака си - става положителен (φ ext >φ nar).

Достигайки някои положителна стойностφ рев - реверсионен потенциал, потенциалът на мембраната се връща до стойността на потенциала на покой φ p m, след като направи нещо като затихнало трептене. В нервните влакна и скелетните мускули продължителността на потенциала на действие е около 1 ms (а в сърдечния мускул - около 300 ms. След отстраняване на възбуждането се наблюдават някои остатъчни явления в мембраната за още 1-3 ms, през които мембраната е рефрактерна (невъзбудима).

Нов деполяризиращ потенциал V > V nop може да предизвика образуването на нов потенциал на действие само след като мембраната се върне напълно в състоянието си на покой. Освен това амплитудата на потенциала за действие

не зависи от амплитудата на деполяризиращия потенциал (ако е само V > V nop). Ако мембраната е поляризирана в покой (потенциалът на цитоплазмата е отрицателен по отношение на извънклетъчната среда), тогава при възбуждане мембраната се деполяризира (потенциалът вътре в клетката е положителен) и след отстраняване на възбуждането мембраната се реполяризира .

Характерни свойствапотенциал за действие:

1) наличието на прагова стойност на деполяризиращия потенциал;

2) законът "всичко или нищо", т.е. ако деполяризиращият потенциал е по-голям от прага, се развива потенциал за действие, чиято амплитуда не зависи от амплитудата на възбуждащия импулс и няма потенциал за действие, ако амплитудата на деполяризиращия потенциал е по-малка от прага;

3) има период на рефрактерност, невъзбудимост на мембраната по време на развитието на потенциала за действие и остатъчни ефекти след отстраняване на възбуждането;

4) в момента на възбуждане съпротивлението на мембраната рязко намалява (в аксона на калмари от 0,1 Ohm m 2 в покой до 0,0025 Ohm m 2 по време на възбуждане).

Ако се обърнем към данните за стойностите на равновесните потенциали на Нернст, създадени от различни йони, естествено е да приемем, че положителният реверсивен потенциал е от натриева природа, тъй като дифузията на натрий създава положителна потенциална разлика между вътрешната и външната повърхност на мембраната.

Можете да промените амплитудата на импулса на потенциала на действие, като промените концентрацията на натрий във външната среда. С намаляване на външната концентрация на натрий, амплитудата на потенциала на действие намалява, тъй като потенциалът на реверсия се променя. Ако натрият е напълно отстранен от околната среда около клетката, изобщо не възниква потенциал за действие.

Експерименти, проведени с радиоактивен изотопнатрий, позволява да се установи, че при възбуждане пропускливостта за натрий рязко се увеличава. Ако е в покой, съотношението на коефициентите на пропускливост на мембраната на аксона на калмари за различни йони е:

PK:PNa:PC1 = 1:0,04:0,45

след това във възбудено състояние:

PK:PNa:PC1 = 1:20:0.45

т.е. в сравнение с невъзбуденото състояние, когато е възбудено, коефициентът на пропускливост за натрия се увеличава 500 пъти.

Изчисленията на реверсионния мембранен потенциал според уравнението на Голдман, ако стойностите на пропускливостта на мембраната за възбуденото състояние са заменени в него, съвпадат с експерименталните данни.

Възбуждането на мембраната се описва с уравненията на Ходжкин-Хъксли. Едно от уравненията на Ходжкин-Хъксли има формата:

където I m е токът през мембраната, C m е капацитетът на мембраната, ∑I i е сумата от йонните токове през мембраната.

Електрическият ток през мембраната се състои от йонни токове: калиеви йони - I k +, натриеви - I Na + и други йони, включително Cl, така нареченият ток на утечка I k, както и капацитивен ток. Капацитивният ток се дължи на презареждането на кондензатора, който е мембрана, чрез потока на заряди от една от повърхностите му към друга. Стойността му се определя от количеството заряд, преминаващ от една плоча към друга за единица време dq / dt, и тъй като зарядът на кондензатора е q \u003d C m ∆φ \u003d C m φ m, тогава капацитивният ток е C М. Общ мембранен ток

Според теорията на Ходжкин-Хъксли, възбуждането на мембранния елемент е свързано с промени в мембранната проводимост за Na + и K + йони: g K и g Na.

Мембранната проводимост е комплексно зависима от мембранния потенциал и време.

Установено е, че ако мембранният потенциал се повиши (φ m над праговата стойност), токът първо протича в клетката, а след това излиза от клетката.

В експерименти, проведени от Ходжкин, Хъксли, Бейкър, Шоу, беше доказано, че фаза I на мембранния ток е свързана с потока на натриеви йони от околен свят(където концентрацията на натрий е по-голяма) в клетката (където е по-малко), а фаза II се обяснява с изтичането на калиеви йони от клетката навън.

В своите експерименти Ходжкин и Хъксли променят йонния състав на околния разтвор. Установено е, че ако натрият се отстрани отвън, първата фаза на мембранния ток (токът в клетката) изчезва. Следователно, всъщност, първата фаза от развитието на потенциала за действие е свързана с увеличаване на пропускливостта на мембраната за натриеви йони. Потокът от положителни частици в клетката води до деполяризация на мембраната - нейната вътрешна повърхност е положително заредена спрямо външната.

Във втората фаза пропускливостта на мембраната за калий рязко се увеличава и положително заредените калиеви йони излизат от клетката, докато натриевият ток намалява. Йонният механизъм на развитие на потенциала на действие беше окончателно доказан в решаващия експеримент на Ходжкин, Бейкър и Шоу, в който аксоплазмата на приготвения аксон беше заменена с външен разтвор и йонният състав на външния разтвор беше направен същият като този на нормална аксоплазма. С тази подмяна на йонните състави потенциалната разлика през мембраната промени знака. Сега, в покой, вътрешната му повърхност беше положително заредена спрямо външната. Потенциалът за действие се оказа отрицателен.

Предполага се, че селективната (избирателна) промяна в йонната пропускливост на възбудената мембрана: първо за Na + и след това за K + - се дължи на факта, че мембраната има специални йонни канали. Има отделни натриеви и калиеви канали, които се отварят и затварят по време на преминаването на нервен импулс през даден участък от мембраната. В първата фаза се отварят натриеви канали, във втората фаза се отварят калиеви канали. Съответно първо се затварят натриевите канали, а след това и калиевите. Отварянето и затварянето на йонните канали се причинява от промяна в мембранния потенциал.

Едно от доказателствата за наличието на йонни канали в мембраната е наличието на вещества, които блокират йонните потоци през мембраната. По този начин тетродотоксинът, съдържащ се в рибата фугу, блокира навлизането на натрий в клетката и по този начин нарушава предаването на нервен импулс, което може да доведе до летален изход. Доказано е, че тетродотоксинът не влияе на пропускливостта на клетката за калий, което означава, че натриевите и калиевите йони всъщност преминават през различни канали. Поради специфичната си структура, молекулите на тетродотоксина сякаш се забиват в натриевите канали. Чрез преброяване на броя на молекулите тетродотоксин, заседнали в мембраната, беше възможно да се определи броят на натриевите канали. В различните нервни влакна на гръбначните животни той е различен - от 3 до 75 канала на един квадратен микрометър от площта на мембраната (за сравнение, броят на фосфолипидните молекули е ≈ 2 10 6 1/μm 2).

Открит е и специфичен инхибитор на калиеви канали - тетраетиламоний. Ако мембраната се третира с тетродотоксин, който блокира натриевите канали, първата фаза изчезва при експерименти с фиксиране на мембранния потенциал, а тетраетиламоният, който спира преноса през калиевата мембрана, причинява изчезването на втората фаза.

По този начин е установено, че образуването на потенциал за действие се причинява от йонни потоци през мембраната: първо натриеви йони в клетката, а след това калиеви йони от клетката във външния разтвор, което е свързано с промяна в проводимост на мембраната за калиеви и натриеви йони.

• управлявана. Според механизма на управление: електро-, химио- и механично управлявани;
• неуправляван. Те нямат механизъм на вратата и са винаги отворени, йоните текат постоянно, но бавно.

потенциал за почивка- това е разликата в електрическите потенциали между външната и вътрешната среда на клетката.

Механизмът на образуване на потенциала на покой. Непосредствената причина за потенциала на покой е неравномерната концентрация на аниони и катиони вътре и извън клетката. Първо, такова подреждане на йони е оправдано от разликата в пропускливостта. Второ, калиевите йони напускат клетката много повече от натриевите.

потенциал за действие- това е възбуждането на клетката, бързата флуктуация на мембранния потенциал поради дифузията на йони в клетката и извън клетката.

Под действието на дразнител върху клетките на възбудимата тъкан, натриевите канали първо се активират и инактивират много бързо, след това калиевите канали се активират и инактивират с известно закъснение.

В резултат на това йоните бързо дифундират във или извън клетката според електрохимичния градиент. Това е вълнение. Според промяната в големината и знака на заряда клетките се разделят на три фази:

• 1 фаза - деполяризация. Намаляване на заряда на клетката до нула. Натрият се придвижва към клетката според концентрацията и електрическия градиент. Условие на движение: вратата на натриевия канал е отворена;
• 2-ра фаза - инверсия. Знак за обръщане на таксата. Инверсията включва две части: възходяща и низходяща.

Възходяща част. Натрият продължава да се движи в клетката според концентрационния градиент, но обратно на електрическия градиент (той пречи).

низходяща част. Калият започва да напуска клетката според концентрацията и електрическия градиент. Портите на калиевия канал са отворени;

• 3 фаза - реполяризация. Калият продължава да напуска клетката според концентрацията, но обратно на електрическия градиент.

Критерии за възбудимост

С развитието на акционния потенциал се променя възбудимостта на тъканта. Тази промяна протича на етапи. Състоянието на първоначалната поляризация на мембраната характерно отразява потенциала на мембраната в покой, което съответства на първоначалното състояние на възбудимост и, следователно, първоначалното състояние възбудима клетка. Това е нормалното ниво на възбуда. Предварителният период е периодът на самото начало на потенциала за действие. Възбудимостта на тъканта е леко повишена. Тази фаза на възбудимост е първична екзалтация (първична свръхестествена възбудимост). По време на развитието на преспика, мембранният потенциал се доближава до критичното ниво на деполяризация и за да се постигне това ниво, силата на стимула може да бъде по-малка от прага.

По време на развитието на скока (пиков потенциал) възниква лавинообразен поток от натриеви йони в клетката, в резултат на което мембраната се презарежда и губи способността си да реагира с възбуждане на стимули с надпрагова сила. Тази фаза на възбудимост се нарича абсолютна рефрактерност, т.е. абсолютна невъзбудимост, която продължава до края на презареждането на мембраната. Абсолютната рефрактерност на мембраната възниква поради факта, че натриевите канали са напълно отворени и след това инактивирани.

След края на фазата на презареждане неговата възбудимост постепенно се възстановява до първоначалното си ниво - това е фазата на относителна рефрактерност, т.е. относителна невъзбудимост. Продължава, докато зарядът на мембраната се възстанови до стойност, съответстваща на критичното ниво на деполяризация. Тъй като през този период мембранният потенциал на покой все още не е възстановен, възбудимостта на тъканта се понижава и ново възбуждане може да възникне само под действието на надпрагов стимул. Намаляването на възбудимостта във фазата на относителна рефрактерност е свързано с частично инактивиране на натриевите канали и активиране на калиеви канали.

Следващият период съответства повишено нивовъзбудимост: фаза на вторична екзалтация или вторична свръхнормална възбудимост. Тъй като мембранният потенциал в тази фаза е по-близо до критичното ниво на деполяризация, в сравнение със състоянието на покой на първоначалната поляризация, прагът на стимулация е намален, т.е. възбудимостта на клетките се повишава. В тази фаза може да възникне ново възбуждане под действието на стимули с подпрагова сила. Натриевите канали не са напълно инактивирани в тази фаза. Мембранният потенциал се увеличава - настъпва състояние на мембранна хиперполяризация. отдалечавайки се от критично ниводеполяризация, прагът на дразнене леко се повишава и ново възбуждане може да възникне само при действието на стимули с надпрагова стойност.

Механизмът на възникване на мембранния потенциал на покой

Всяка клетка в покой се характеризира с наличието на трансмембранна потенциална разлика (потенциал на покой). Обикновено разликата в заряда между вътрешната и външната повърхност на мембраните е от -80 до -100 mV и може да бъде измерена с помощта на външни и вътреклетъчни микроелектроди (фиг. 1).

Потенциалната разлика между външната и вътрешната страна на клетъчната мембрана в покой се нарича мембранен потенциал (потенциал на покой).

Създаването на потенциала на покой се осигурява от два основни процеса - неравномерното разпределение на неорганичните йони между вътре- и извънклетъчното пространство и неравномерната пропускливост на клетъчната мембрана за тях. Анализът на химичния състав на екстра- и вътреклетъчната течност показва изключително неравномерно разпределение на йони (Таблица 1).

В покой вътре в клетката има много аниони на органични киселини и K+ йони, чиято концентрация е 30 пъти по-голяма, отколкото навън; Na + йони, напротив, са 10 пъти повече извън клетката, отколкото вътре; CI - също повече навън.

В покой мембраната на нервните клетки е най-пропусклива за K +, по-малко - за CI - и много малко пропусклива за Na + / Пропускливостта на мембраната на нервните влакна за Na + B в покой е 100 пъти по-малка, отколкото за K +. За много аниони на органични киселини мембраната в покой е напълно непропусклива.

Ориз. 1. Измерване на потенциала на покой на мускулното влакно (А) с помощта на вътреклетъчен микроелектрод: М - микроелектрод; И - безразличен електрод. Лъчът на екрана на осцилоскопа (B) показва, че преди мембраната да бъде пробита от микроелектрод, потенциалната разлика между M и I е била равна на нула. В момента на пробиване (показано със стрелка) е открита потенциална разлика, което показва, че вътрешната страна на мембраната е отрицателно заредена по отношение на външната й повърхност (според Б. И. Ходоров)

Таблица. Вътре- и извънклетъчни концентрации на йони на мускулна клетка на топлокръвно животно, mmol / l (според J. Dudel)

	Вътреклетъчна концентрация	Извънклетъчна концентрация
А- (аниони на органични съединения)

Благодарение на концентрационния градиент К+ достига външната повърхност на клетката, носейки нейния положителен заряд. Анионите с високо молекулно тегло не могат да следват K+, тъй като мембраната е непропусклива за тях. Na + йонът също не може да замести изгубените калиеви йони, тъй като пропускливостта на мембраната за него е много по-малка. CI- по градиента на концентрация може да се движи само вътре в клетката, като по този начин увеличава отрицателния заряд на вътрешната повърхност на мембраната. В резултат на това движение на йони се получава поляризация на мембраната, когато външната й повърхност е положително заредена, а вътрешната е отрицателно заредена.

Електрическото поле, което се създава върху мембраната, активно пречи на разпределението на йони между вътрешното и външното съдържание на клетката. Тъй като положителният заряд на външната повърхност на клетката се увеличава, става все по-трудно за К+ йона, като положително зареден, да се движи отвътре навън. Изглежда, че се движи нагоре. Колкото по-голяма е стойността на положителния заряд на външната повърхност, толкова по-малък брой K+ йони могат да достигнат клетъчната повърхност. При определена стойност на потенциала върху мембраната броят на К+ йоните, преминаващи през мембраната в двете посоки, се оказва равен, т.е. концентрационният градиент на калий се балансира от наличния потенциал на мембраната. Потенциалът, при който дифузионният поток от йони става равен на потока от подобни йони, движещи се в обратна посока, се нарича равновесен потенциал за даден йон. За K+ йони равновесният потенциал е -90 mV. В миелинизираните нервни влакна стойността на равновесния потенциал за CI- йони е близка до стойността на потенциала на мембраната в покой (-70 mV). Следователно, въпреки факта, че концентрацията на CI- йони извън влакното е по-голяма, отколкото вътре в него, техният едностранен ток не се наблюдава в съответствие с концентрационния градиент. В този случай разликата в концентрацията се балансира от наличния потенциал на мембраната.

Na+ йонът по концентрационния градиент трябва да е влязъл в клетката (равновесният му потенциал е +60 mV) и наличието на отрицателен заряд вътре в клетката не трябва да възпрепятства този поток. В този случай входящият Na+ ще неутрализира отрицателните заряди вътре в клетката. Това обаче всъщност не се случва, тъй като мембраната в покой не е много пропусклива за Na+.

Най-важният механизъм, който поддържа ниска вътреклетъчна концентрация на Na+ йони и висока концентрация на K+ йони е натриево-калиевата помпа (активен транспорт). Известно е, че клетъчната мембрана има система от преносители, всеки от които е свързан с три Na+ йона, разположени вътре в клетката и ги извежда навън. ОТ външна странаносителят се свързва с два K+ йона, разположени извън клетката, които се пренасят в цитоплазмата. Енергийното захранване за работата на носещите системи се осигурява от ATP. Работата на помпата на такава система води до следните резултати:

• поддържан висока концентрация K + йони вътре в клетката, което осигурява постоянството на потенциала на покой. Поради факта, че в един цикъл на йонообмен един повече положителен йон се отстранява от клетката, отколкото се въвежда, активният транспорт играе роля в създаването на потенциала на покой. В този случай се говори за електрогенна помпа, тъй като самата тя създава малък, но постоянен ток. положителни зарядиот клетката и следователно има пряк принос за образуването на отрицателен потенциал вътре в нея. Въпреки това приносът на електрогенната помпа за общо значениепотенциалът на покой обикновено е малък и възлиза на няколко миливолта;
• поддържа се ниска концентрация на Na + йони вътре в клетката, което, от една страна, осигурява функционирането на механизма за генериране на потенциал за действие, а от друга страна, осигурява запазването на нормалния осмоларитет и клетъчния обем;
• Чрез поддържане на стабилен градиент на концентрация на Na +, натриево-калиевата помпа насърчава конюгирания K+, Na+ -транспорт на аминокиселини и захари през клетъчната мембрана.

По този начин, появата на трансмембранна потенциална разлика (потенциал на покой) се дължи на високата проводимост на клетъчната мембрана в покой за K +, CI- йони, йонна асиметрия в концентрациите на K + йони и CI- йони, работата на активни транспортни системи (Na + / K + -ATPase), които създават и поддържат йонна асиметрия.

Потенциал на действие на нервните влакна, нервен импулс

Потенциал за действие -това е краткотрайна флуктуация на потенциалната разлика на мембраната на възбудима клетка, придружена от промяна в знака на нейния заряд.

Потенциалът за действие е основният специфичен признак на възбуда. Регистрирането му показва, че клетката или нейните структури са реагирали на въздействието с възбуждане. Въпреки това, както вече беше отбелязано, PD в някои клетки може да възникне спонтанно (спонтанно). Такива клетки се намират в пейсмейкърите на сърцето, стените на кръвоносните съдове и нервната система. PD се използва като носител на информация, който я предава под формата на електрически сигнали (електрическа сигнализация) по аферентни и еферентни нервни влакна, проводната система на сърцето, а също и за иницииране на свиване на мускулни клетки.

Нека разгледаме причините и механизма на генериране на AP в аферентните нервни влакна, които образуват първичните сензорни рецептори. Непосредствената причина за възникването (генерирането) на АП при тях е рецепторният потенциал.

Ако измерим потенциалната разлика на мембраната на възела на Ранвие, който е най-близо до нервното окончание, тогава в интервалите между ударите върху капсулата на корпускулата на Pacinian тя остава непроменена (70 mV), а по време на експозиция се деполяризира почти едновременно с деполяризация на рецепторната мембрана на нервния край.

С увеличаване на силата на натиск върху тялото на Pacinian, което води до увеличаване на потенциала на рецептора до 10 mV, в най-близкото пресичане на Ранвие обикновено се записва бърза флуктуация на мембранния потенциал, придружена от презареждане на мембраната - действие потенциал (AP), или нервен импулс (фиг. 2). Ако силата на натиск върху тялото се увеличи още повече, амплитудата на рецепторния потенциал се увеличава и в нервното окончание вече се генерират редица потенциали на действие с определена честота.

Ориз. 2. Схематично представяне на механизма за превръщане на рецепторния потенциал в потенциал на действие (нервен импулс) и разпространението на импулса по нервното влакно

Същността на механизма за генериране на AP е, че рецепторният потенциал причинява появата на локални кръгови токове между деполяризираната рецепторна мембрана на немиелинизираната част на нервното окончание и мембраната на първия възел на Ranvier. Тези токове, които се носят от Na+, K+, CI- и други минерални йони, "текат" не само по протежение, но и напречно на мембраната на нервното влакно в областта на интерцепцията на Ранвие. В мембраната на възлите на Ранвие, за разлика от рецепторната мембрана на самия нервен край, има висока плътностйонни волтаж-зависими натриеви и калиеви канали.

Когато се достигне стойност на деполяризация от около 10 mV на интерцепционната мембрана на Ранвие, бързите волтаж-зависими натриеви канали се отварят и поток от Na+ йони се втурва през тях в аксоплазмата по електрохимичен градиент. Той причинява бърза деполяризация и презареждане на мембраната на възела на Ранвие. Въпреки това, едновременно с отварянето на бързите волтаж-зависими натриеви канали в съединителната мембрана на Ранвие, бавните волтаж-зависими калиеви канали се отварят и K+ йони започват да напускат аксоилазмата.Техният изход изостава от навлизането на Na+ йони. По този начин Na + йони, влизащи в аксоплазмата с висока скорост, бързо деполяризират и презареждат за кратко време (0,3-0,5 ms) мембраната, а изходящите K + йони възстановяват първоначалното разпределение на заряда върху мембраната (реполяризират мембраната). В резултат на това по време на механично въздействие върху тялото на Пачин със сила, равна или по-голяма от прага, се наблюдава краткотрайна потенциална флуктуация на мембраната на най-близкия възел на Ранвие под формата на бърза деполяризация и реполяризация на мембраната. , т.е. Генерира се PD (нервен импулс).

Тъй като пряката причина за генериране на AP е рецепторният потенциал, в този случай той се нарича още генераторен потенциал. Броят на нервните импулси, генерирани за единица време, еднакви по амплитуда и продължителност, е пропорционален на амплитудата на рецепторния потенциал и следователно на силата на натиск върху рецептора. Процесът на преобразуване на информацията за силата на въздействието, заложена в амплитудата на рецепторния потенциал, в броя на дискретните нервни импулси се нарича кодиране на дискретна информация.

Йонните механизми и времевата динамика на процесите на генериране на AP са изследвани по-подробно при експериментални условия с изкуствено излагане на електрически ток върху нервно влакно. различна силаи продължителност.

Естеството на потенциала за действие на нервните влакна (нервен импулс)

Мембраната на нервното влакно в точката на локализиране на дразнещия електрод реагира на действието на много слаб ток, който все още не е достигнал праговата стойност. Този отговор се нарича локален, а колебанието на потенциалната разлика през мембраната се нарича локален потенциал.

Локален отговор на мембраната на възбудима клетка може да предшества появата на потенциал за действие или да се прояви като независим процес. Това е краткотрайна флуктуация (деполяризация и реполяризация) на потенциала на покой, която не е придружена от презареждане на мембраната. Деполяризацията на мембраната по време на развитието на локалния потенциал се дължи на напредващото навлизане на Na + йони в аксоплазмата, а реполяризацията се дължи на забавеното излизане на K + йони от аксоплазмата.

Ако мембраната е изложена на електрически ток с нарастваща сила, тогава при стойност, наречена прагова стойност, деполяризацията на мембраната може да достигне критично ниво - Ek, при което се отварят бързи волтаж-зависими натриеви канали. В резултат на това през тях възниква лавинообразен нарастващ поток от Na + йони в клетката. Възникналият процес на деполяризация придобива самоускоряващ се характер, а локалният потенциал се развива в потенциал на действие.

Вече беше споменато, че характерна особеност на PD е краткотрайна инверсия (промяна) на знака на заряда на мембраната. Отвън за кратко (0,3-2 ms) се зарежда отрицателно, а отвътре - положително. Стойността на инверсията може да бъде до 30 mV, а стойността на целия потенциал на действие е 60-130 mV (фиг. 3).

Таблица. Сравнителна характеристикаместен потенциал и потенциал за действие

Характеристика	Местен потенциал	потенциал за действие
Проводимост	Разпространява се локално, с 1-2 mm с отслабване (декремент)	Разпространява се без затихване на големи разстояния по цялата дължина на нервното влакно
Законът за "силата"	се подчинява	Не се подчинява
Законът за всичко или нищо	Не се подчинява	се подчинява
феномен на сумиране	Сумируем, увеличава се с повтарящи се чести подпрагови дразнения	Не се натрупва
Стойност на амплитудата
Способност за възбудимост	се увеличава	Намалява до пълна невъзбудимост (рефрактерен)
Големината на стимула	подпраг	Прагови и надпрагови

Потенциалът на действие, в зависимост от естеството на промяната на зарядите на вътрешната повърхност на мембраната, се разделя на фази на деполяризация, реполяризация и хиперполяризация на мембраната. Деполяризациянаименувайте цялата възходяща част на PD, върху която се разграничават участъци, съответстващи на локалния потенциал (от нивото E 0преди E до), бърза деполяризация (от ниво E додо 0 mV), инверсиизнак на заряда (от 0 mV до пиковата стойност или началото на реполяризацията). реполяризациянаречена низходяща част на АР, която отразява процеса на възстановяване на първоначалната поляризация на мембраната. Първоначално реполяризацията е бърза, но с наближаване на нивото E 0, скоростта на ce може да се забави и този раздел се нарича следа негативност(или проследете отрицателен потенциал). Някои клетки развиват хиперполяризация (повишена поляризация на мембраната) след реполяризация. Викат я проследи положителен потенциал.

Началната високоамплитудна бързотечаща част на ПД се нарича още връх,или шипВключва фази на деполяризация и бърза реполяризация.

В механизма на развитие на ПД съществена роляпринадлежи към потенциално зависими йонни канали и неедновременно повишаване на пропускливостта на клетъчната мембрана за Na+ и K+ йони. Така че, когато електрически ток действа върху клетка, той причинява деполяризация на мембраната и когато зарядът на мембраната намалее до критично ниво (Ek), се отварят зависимите от напрежението натриеви канали. Както вече споменахме, тези канали се образуват от протеинови молекули, вградени в мембраната, вътре в която има пори и два механизма на вратата. Един от механизмите на вратата, активиращият, осигурява (с участието на сегмент 4) отварянето (активирането) на канала по време на деполяризация на мембраната, а вторият (с участието на вътреклетъчната верига между 3-ти и 4-ти домени) - неговата инактивация, която се развива по време на презареждане на мембраната (фиг. 4). Тъй като и двата механизма бързо променят позицията на вратата на канала, волтаж-зависимите натриеви канали са бързи йонни канали. Това обстоятелство е от решаващо значение за генерирането на АП в възбудимите тъкани и за провеждането му по мембраните на нервните и мускулните влакна.

Ориз. 3. Потенциал на действие, неговите фази и йонни токове (a, o). Описание в текст

Ориз. Фиг. 4. Позиция на вратата и състояние на активност на волтаж-зависими натриеви и калиеви канали при различни нива на мембранна поляризация

За да може волтаж-зависимият натриев канал да прекара Na+ йони в клетката, е необходимо само да се отвори активиращият порт, тъй като инактивиращите порти са отворени в покой. Това се случва, когато деполяризацията на мембраната достигне нивото E до(фиг. 3, 4).

Отварянето на активиращите врати на натриевите канали води до лавинообразно навлизане на натрий в клетката, задвижван от действието на силите на неговия електрохимичен градиент. Тъй като Na + йоните носят положителен заряд, те неутрализират излишъка от отрицателни заряди по вътрешната повърхност на мембраната, намаляват потенциалната разлика през мембраната и я деполяризират. Скоро Na+ йоните придават излишък от положителни заряди на вътрешната повърхност на мембраната, което е придружено от инверсия (промяна) на знака на заряда от отрицателен към положителен.

Натриевите канали обаче остават отворени само за около 0,5 ms и след този период от време от началото на

AP затваря вратата за инактивация, натриевите канали стават инактивирани и непропускливи за Na+ йони, чието навлизане в клетката е рязко ограничено.

От момента на деполяризацията на мембраната до нивото E досъщо се наблюдава активиране на калиеви канали и отваряне на вратите им за K+ йони. К+ йоните напускат клетката под действието на силите на концентрационния градиент, изнасяйки положителни заряди от нея. Въпреки това механизмът на вратата на калиевите канали функционира бавно и скоростта на освобождаване на положителни заряди с K+ йони от клетката навън изостава от навлизането на Na+ йони. Потокът от K + йони, премахвайки излишните положителни заряди от клетката, предизвиква възстановяване на първоначалното разпределение на заряда върху мембраната или нейната реполяризация, а от вътрешната й страна, след момент от момента на презареждане, се възстановява отрицателен заряд .

Възникването на АП върху възбудимите мембрани и последващото възстановяване на първоначалния потенциал на покой върху мембраната е възможно, тъй като динамиката на влизане и излизане от клетката на положителните заряди на Na+ и K+ йони е различна. Навлизането на Na+ йона изпреварва във времето изхода на K+ йона. Ако тези процеси бяха в равновесие, тогава потенциалната разлика през мембраната нямаше да се промени. Развитието на способността за възбуждане и генериране на AP от възбудими мускулни и нервни клетки се дължи на образуването на два вида йонни канали с различна скорост в тяхната мембрана - бързи натриеви и бавни калиеви.

Генерирането на единичен AP изисква влизане в клетката на относително Голям брой Na + йони, което не нарушава разпространението му извън и вътре в клетката. При генериране на голям брой AP, разпределението на йони от двете страни на клетъчната мембрана може да бъде нарушено. Въпреки това, в нормални условиятова се предотвратява от работата на Na+, K+ помпата.

При естествени условия, в невроните на ЦНС, потенциалът за действие възниква предимно в областта на хълма на аксона, в аферентните неврони - в пресечката на Ранвие на нервния край, който е най-близо до сензорния рецептор, т.е. в тези части на мембраната, където има бързи селективни волтаж-зависими натриеви канали и бавни калиеви канали. В други видове клетки (например пейсмейкър, гладки миоцити) не само натриевите и калиеви, но и калциевите канали играят роля при появата на PD.

Механизмите на възприемане и преобразуване на сигнали в PD във вторично чувствителните сензорни рецептори се различават от механизмите, анализирани за първичните сензорни рецептори. В тези рецептори възприемането на сигналите се осъществява от специализирани невросензорни (фоторецепторни, обонятелни) или сетивни епителни (вкусови, слухови, вестибуларни) клетки. Всяка от тези чувствителни клетки има свой собствен специален механизъм за приемане на сигнали. Във всички клетки обаче енергията на възприемания сигнал (стимул) се превръща в трептене на потенциалната разлика на плазмената мембрана, т.е. към рецепторния потенциал.

По този начин, ключовият момент в механизмите на преобразуване на възприеманите сигнали в рецепторен потенциал от сензорните клетки е промяната в пропускливостта на йонните канали в отговор на експозицията. Отварянето на Na+, Ca 2+, K+ -йонни канали по време на възприемане и трансформация на сигнала се постига в тези клетки с участието на G-протеини, втори вътреклетъчни медиатори, свързване с лиганди и фосфорилиране на йонни канали. По правило рецепторният потенциал, възникнал в сетивните клетки, предизвиква освобождаването на невротрансмитер от тях в синаптичната цепнатина, което осигурява предаването на сигнал към постсинаптичната мембрана на аферентния нервен край и генерирането на нервен импулс върху нейната мембрана. Тези процеси са описани подробно в главата за сетивните системи.

Потенциалът на действие може да се характеризира с амплитудата и продължителността, които за едно и също нервно влакно остават същите, когато AP се разпространява по влакното. Следователно потенциалът за действие се нарича дискретен потенциал.

Между естеството на въздействието върху сетивните рецептори и броя на АП, възникнали в аферентния нервно влакнов отговор на експозицията има определена връзка. Той се крие във факта, че при голяма сила или продължителност на експозиция се образува нервно влакно Повече ▼нервни импулси, т.е. с повишена експозиция на нервна системаимпулси с по-висока честота ще бъдат изпратени от рецептора. Процесите на преобразуване на информацията за естеството на въздействието в честота и други параметри на нервните импулси, предавани към централната нервна система, се наричат ​​дискретно информационно кодиране.