Изчисляване на мембранния потенциал и механизъм на действие. Основни свойства на нервната клетка

Потенциал за почивка

Мембраните, включително плазмените мембрани, по принцип са непроницаеми за заредени частици. Вярно е, че мембраната съдържа Na+/K+-ATPase (Na+/K+-ATPase), която активно транспортира Na+ йони от клетката в замяна на K+ йони. Този транспорт е енергозависим и е свързан с хидролизата на АТФ (АТФ). Благодарение на работата на “Na+,K+-помпата” се поддържа небалансираното разпределение на Na+ и K+ йони между клетката и околната среда. От разделянето на единия АТФ молекулиосигурява преноса на три Na+ йона (извън клетката) и два K+ йона (в клетката), този транспорт е електрогенен, т.е. . цитоплазмата на клетката е заредена отрицателно по отношение на извънклетъчното пространство.

Електрохимичен потенциал. Съдържанието на клетката е заредено отрицателнопо отношение на извънклетъчното пространство. Основната причина за възникването на електрически потенциал върху мембраната (мембранен потенциал Δψ) е съществуването специфични йонни канали.Транспортът на йони през каналите се осъществява по концентрационен градиент или под влияние на мембранния потенциал. В невъзбудена клетка някои от К+ каналите са включени отворено състояниеи K+ йони постоянно дифундират от неврона в околната среда (по градиент на концентрация). Когато напускат клетката, K+ йоните отнасят положителен заряд, което създава потенциал на покой от приблизително -60 mV. От коефициентите на пропускливост на различни йони става ясно, че каналите, пропускливи за Na+ и Cl-, са предимно затворени. Фосфатните йони и органичните аниони, като протеините, практически не могат да преминат през мембраните. Използвайки уравнението на Нернст (RT/ZF, където R е газовата константа, T е абсолютната температура, Z е валентността на йона, F е числото на Фарадей), може да се покаже, че мембранният потенциал нервна клеткасе определя главно от K+ йони, които имат основен принос за проводимостта на мембраната.

Йонни канали. Мембраните на нервната клетка съдържат канали, които са пропускливи за Na+, K+, Ca2+ и Cl- йони. Тези канали най-често са в затворено състояние и се отварят само за кратко време. Каналите се разделят на волтаж-зависими (или електрически възбудими), като бързи Na+ канали, и лиганд-зависими (или химио-възбудими), като никотиновите холинергични рецептори. Каналите са интегрални мембранни протеини, състоящи се от много субединици. В зависимост от промените в мембранния потенциал или взаимодействието със съответните лиганди, невротрансмитери и невромодулатори (виж фиг. 343), рецепторните протеини могат да бъдат в едно от двете конформационни състояния, което определя пропускливостта на канала ("отворен" - "затворен" - и т.н.).

Активен транспорт:

Стабилността на йонния градиент се постига чрез активен транспорт: мембранните протеини транспортират йони през мембраната срещу електрически и/или концентрационни градиенти, изразходвайки метаболитна енергия за това. Най-важният процес на активен транспорт е работата на Na/K помпата, която съществува в почти всички клетки; помпата изпомпва натриеви йони от клетката, като същевременно изпомпва калиеви йони в клетката. Това осигурява ниска вътреклетъчна концентрация на натриеви йони и висока концентрация на калиеви йони. Концентрационният градиент на натриевите йони върху мембраната има специфични функции, свързани с предаването на информация под формата на електрически импулси, както и поддържането на други активни транспортни механизми и регулиране на клетъчния обем. Ето защо не е изненадващо, че повече от 1/3 от енергията, консумирана от една клетка, се изразходва за Na/K помпата, а в някои от най-активните клетки до 70% от енергията се изразходва за нейната работа.

Пасивен транспорт:

Процесите на свободна дифузия и транспортиране, осигурени от йонни канали и транспортери, протичат по градиент на концентрация или градиент на електрически заряд (общо наричан електрохимичен градиент). Такива транспортни механизми се класифицират като "пасивен транспорт". Например, чрез този механизъм глюкозата навлиза в клетките от кръвта, където нейната концентрация е много по-висока.

Йонна помпа:

Йонните помпи са интегрални протеини, които осигуряват активен транспорт на йони срещу градиент на концентрация. Енергията за транспортиране е енергията на хидролизата на АТФ. Има Na+ / K+ помпа (изпомпва Na+ от клетката в замяна на K+), Ca++ помпа (изпомпва Ca++ от клетката), Cl– помпа (изпомпва Cl– от клетката).

В резултат на работата на йонните помпи се създават и поддържат трансмембранни йонни градиенти:

Концентрацията на Na+, Ca++, Cl – вътре в клетката е по-ниска, отколкото навън (в междуклетъчната течност);

Концентрацията на K+ вътре в клетката е по-висока, отколкото навън.

Натриево-калиева помпа- това е специален протеин, който прониква през цялата дебелина на мембраната, който постоянно изпомпва калиеви йони в клетката, като същевременно изпомпва натриеви йони от нея; в този случай движението на двата йона протича срещу техните концентрационни градиенти. Тези функции са възможни благодарение на две важни свойства на този протеин. Първо, формата на транспортната молекула може да се промени. Тези промени възникват в резултат на добавянето на фосфатна група към молекулата носител поради енергията, освободена по време на хидролизата на АТФ (т.е. разграждането на АТФ до АДФ и остатъка фосфорна киселина). Второ, самият този протеин действа като АТФаза (т.е. ензим, който хидролизира АТФ). Тъй като този протеин транспортира натрий и калий и в допълнение има АТФ-азна активност, той се нарича „натриево-калиева АТФ-аза“.

Опростено действие натриево-калиева помпаможе да се представи по следния начин.

1. От вътрешната страна на мембраната АТФ и натриевите йони влизат в молекулата на протеина носител, а калиевите йони идват отвън.

2. Транспортната молекула хидролизира една молекула АТФ.

3. С участието на три натриеви йона, поради енергията на АТФ, към носителя се добавя остатък от фосфорна киселина (фосфорилиране на носителя); самите тези три натриеви йона също се прикрепят към транспортера.

4. В резултат на добавянето на остатък от фосфорна киселина настъпва такава промяна във формата на молекулата носител (конформация), че натриевите йони се оказват от другата страна на мембраната, вече извън клетката.

5. Три натриеви йона се освобождават във външната среда и вместо тях два калиеви йона се свързват с фосфорилирания транспортер.

6. Добавянето на два калиеви йона предизвиква дефосфорилиране на преносителя - отделяне на остатък от фосфорна киселина към тях.

7. Дефосфорилирането, от своя страна, кара носителя да се приспособи, така че калиевите йони да се окажат от другата страна на мембраната, вътре в клетката.

8. Калиеви йони се освобождават вътре в клетката и целият процес се повтаря.

Значението на натриево-калиевата помпа за живота на всяка клетка и на организма като цяло се определя от факта, че непрекъснатото изпомпване на натрий от клетката и инжектирането на калий в нея е необходимо за осъществяването на много жизненоважни функции . важни процеси: осморегулация и запазване на клетъчния обем, поддържане на потенциалната разлика от двете страни на мембраната, поддържане на електрическата активност в нервните и мускулните клетки, за активен транспорт на други вещества (захари, аминокиселини) през мембраните. Големи количества калий са необходими и за протеиновия синтез, гликолизата, фотосинтезата и други процеси. Около една трета от целия консумиран АТФ животинска клеткав покой се изразходва именно за поддържане на работата на натриево-калиевата помпа. Ако по някакъв начин външно влияниепотискат клетъчното дишане, т.е. спират доставката на кислород и производството на АТФ, тогава йонният състав на вътрешното съдържание на клетката ще започне постепенно да се променя. В крайна сметка то ще влезе в равновесие с йонния състав на средата, заобикалящи клетката; в този случай настъпва смърт.

Потенциал за действие възбудима клеткаи неговите фази:

PD е бързо колебание на мембранния потенциал, което възниква, когато нервите и мускулите са възбудени. И други клетки могат да се разпространят.

1. фаза на покачване

2. реверсия или превишаване (зарядът е обърнат)

3. възстановяване на полярността или реполяризация

4.положителен потенциал за следи

5. отрицателна следа. потенциал

Местен отговор-Това е процесът, при който мембраната реагира на стимул в определена област на неврона. Не се разпространява по аксоните. Колкото по-голям е стимулът, толкова повече се променя локалният отговор. В този случай нивото на деполяризация не достига критично и остава подпрагово. В резултат на това локалният отговор може да има електротонични ефекти върху съседните области на мембраната, но не може да се разпространява като потенциал на действие. Повишава се възбудимостта на мембраната в местата на локална деполяризация и в местата на електротонична деполяризация, причинена от нея.

Активиране и инактивиране на натриевата система:

Импулсът на деполяризиращия ток води до активиране на натриевите канали и увеличаване на натриевия ток. Това осигурява локален отговор. Изместването на мембранния потенциал до критично ниво води до бърза деполяризация на клетъчната мембрана и осигурява фронт за повишаване на акционния потенциал. Ако премахнете йона Na+ от външна среда, тогава потенциалът за действие не възниква. Подобен ефект се постига чрез добавяне на TTX (тетродотоксин), специфичен блокер на натриевия канал, към перфузионния разтвор. При използване на метода „затягане на напрежението“ беше показано, че в отговор на действието на деполяризиращ ток през мембраната протича краткотраен (1-2 ms) входящ ток, който след известно време се заменя с изходящ ток (фиг. 2.11). Чрез заместване на натриевите йони с други йони и вещества, като холин, беше възможно да се покаже, че входящият ток се осигурява от натриев ток, т.е., в отговор на деполяризиращ стимул, настъпва повишаване на натриевата проводимост (gNa+). По този начин развитието на фазата на деполяризация на потенциала на действие се дължи на повишаване на натриевата проводимост.

Нека разгледаме принципа на работа на йонните канали, като използваме натриевия канал като пример. Смята се, че натриевият канал е затворен в покой. Когато клетъчната мембрана се деполяризира до определено ниво, вратата за m-активиране се отваря (активиране) и потокът от Na+ йони в клетката се увеличава. Няколко милисекунди след отварянето на m-gate, p-gate, разположен на изхода на натриевите канали, се затваря (инактивиране) (фиг. 2.4). Инактивирането се развива много бързо в клетъчната мембрана и степента на инактивиране зависи от величината и времето на действие на деполяризиращия стимул.

Работата на натриевите канали се определя от стойността на мембранния потенциал в съответствие с определени закони на вероятността. Изчислено е, че активираният натриев канал позволява само 6000 йона да преминат през него за 1 ms. В този случай много значителният натриев ток, който преминава през мембраните по време на възбуждане, е сумата от хиляди единични токове.

Когато се генерира един потенциал на действие в дебело нервно влакно, промяната в концентрацията на Na+ йони във вътрешната среда е само 1/100 000 от вътрешно съдържание Na йони на гигантския аксон на калмари. Въпреки това, за тънките нервни влакна тази промяна в концентрацията може да бъде доста значителна.

В допълнение към натриевите, други видове канали са инсталирани в клетъчните мембрани, които са селективно пропускливи за отделни йони: K+, Ca2+ и има разновидности на канали за тези йони (вижте таблица 2.1).

Ходжкин и Хъксли формулират принципа на "независимостта" на каналите, според който потокът на натрий и калий през мембраната е независим един от друг.

Промяна в възбудимостта при възбуда:

1. Абсолютна огнеупорност - т.е. пълна невъзбудимост, определяща се първо от пълното използване на "натриевия" механизъм и след това от инактивирането на натриевите канали (това приблизително съответства на пика на потенциала за действие).

2. Относителна рефрактерност - т.е. намалена възбудимост, свързана с частично инактивиране на натрий и развитие на активиране на калий. В този случай прагът се увеличава и отговорът [AP] се намалява.

3. Екзалтация – т.е. повишена възбудимост - свръхнормалност, която се появява от следа от деполяризация.

4. Субнормалност – т.е. намалена възбудимост, произтичаща от следа от хиперполяризация. Амплитудите на потенциала на действие по време на фазата на следова негативност са леко намалени, а на фона на следова позитивност те са леко увеличени.

Наличието на рефрактерни фази определя интермитентния (дискретен) характер на нервната сигнализация, а йонният механизъм на акционния потенциал осигурява стандартизирането на акционния потенциал (нервните импулси). В тази ситуация промените във външните сигнали се кодират само чрез промяна в честотата на потенциала за действие (честотен код) или промяна в броя на потенциалите за действие.

©2015-2019 сайт
Всички права принадлежат на техните автори. Този сайт не претендира за авторство, но предоставя безплатно използване.
Дата на създаване на страницата: 2016-08-20

Един от основни функциибиологична мембрана - генериране и предаване 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. Практикува се и терапевтично въздействие върху тъкани и органи с външни електрически импулси по време на електростимулация.

По време на живота в клетките и тъканите могат да възникнат разлики в електрическия потенциал: Δj

1) редокс потенциали - поради прехвърлянето на електрони от едни молекули към други;

2) мембрана - поради градиента на йонната концентрация 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 = j изход - j вътрешен.(1)

Напредъкът в изследването на биопотенциалите се дължи на:

1) разработване на микроелектроден метод за измерване на вътреклетъчния потенциал;

2) създаването на специални биопотенциални усилватели (УПБ);

3) избор на успешни обекти за изследване на големи клетки и сред тях гигантски 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. Гигантският размер на аксона е от голямо физиологично значение - той осигурява бързо предаване нервен импулспо дължината на 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 гигантски аксон на калмари, без да причинява значително увреждане на аксона.

Стъкленият микроелектрод е стъклена микропипета с много тънък връх (фиг. 5.1 ).

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

Вторият електрод, референтният електрод, се намира в разтвора близо до външната повърхност на клетката. Записващо устройство P, съдържащо усилвател постоянен ток, измерва потенциала на мембраната:

Фиг.5.1 - Микроелектроден метод за измерване на биопотенциали

а - стъклена микропипета; б - стъклен микроелектрод;

c - схема за запис на мембранен потенциал

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

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

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

Потенциалът на покой се определя от различни концентрации на йони според различни странимембрана и дифузия 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 е нарушена, образува се потенциална разлика вътре и извън клетката j m = j изход - j изход 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 in = m in .

защото m = m 0 + RTlnC + ZFj, Че

RTlnC vn + ZFj vn = RTlnC nar + ZFj нар

Оттук се стига лесно Формула на Нернстза равновесен мембранен потенциал

j m = j nar - j int = - RT/ZF´ln(C int / От nar)

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

За Na + йони: вътр< нар, Z = +1,

Ако във формулата на Нернст тръгнем от натурален логаритъмдо десетична, след това за положителен едновалентен йон (Z = +1)

Тогава да вземем температурата T=300 K

Нека приемем във формулата на Нернст C in / C nar ≈100, което по ред съответства на експерименталните данни за калий:

лог 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, ще преценим колко йони трябва да се преместят от цитоплазмата към неклетъчната среда, за да се създаде такава потенциална разлика . Радиус на клетката r = 10 μm = 10 -5 m. Специфичен електрически капацитет на мембраната (електрически капацитет на единица площ) C бита = 10 -2 F/m 2. Площ на мембраната 4πr 2 ≈ 4π∙10 -10 m 2 ≈10 -9 m 2. След това електрическият капацитет на мембраната

C=C победи ∙S≈10 -2 ∙10 -9 м 2.

Абсолютна стойностзаряд на всеки знак на повърхността на мембраната, ако си я представите като кондензатор,

което съответства на

Обем на клетката

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

Малка промянаконцентрацията 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 мембранен потенциал на Нернст, през мембраната трябва да премине пренебрежимо малък брой йони в сравнение с общия брой в клетката.

По този начин потенциалът на покой всъщност е по-близо до потенциала, изчислен с помощта на формулата на Нернст за K +. В същото време е забележимо значително несъответствие между експерименталните и теоретичните стойности. Причината за несъответствието е, че не е взета предвид пропускливостта на мембраната за други йони. Едновременната дифузия на K +, Na + и C1 - йони през мембраната 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. Да вземем така нареченото приближение постоянно полеГолдман. Нека разгледаме напрежението електрическо полев мембранната константа и равна на средната стойност на градиента на потенциала:

Където л– дебелина на мембраната.

Получаваме за плътността на йонния поток през мембраната:

Ние обозначаваме Ние пишем

Нека разделим променливите:

Нека интегрираме лявата страна диференциално уравнениев диапазона от 0 до 1, а дясната от C out = KS out до C out = KS out (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 отрицателен зарядхлорен йон. Въпреки това, тъй като различни йони участват в създаването на мембранния потенциал, равновесие не възниква; потоците на различните йони не са равни на нула поотделно. Ако вземем предвид само потоците j K +И jNa+, Че j K+ +j Na+ =0, или j K = - j Na +и замествайки, получаваме:

защото,

Ако вземем предвид и йонния поток 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 + ] VN, BH, но [C1 - ] NAR, а в знаменателя - [K +] NAR, H AR,Но [C1 - ] VN, тъй като хлорните йони са отрицателно заредени.

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

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

За аксон на калмари, например,

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

Пренаписване на уравнението на Голдман като:

в случай, че пропускливостта на мембраната за натриеви и хлорни йони е значително 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.

Мембранен потенциал, изчислен с помощта на уравнението на Голдман, се оказа по-малък по абсолютна стойност от мембранния потенциал, изчислен с помощта на 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 зарядите и следователно появата на потенциална разлика) йонни помпи, които играят важна роляв поддържането на йонния баланс в малките клетки. K + -Na + -ATPases работят в цитоплазмената мембрана, изпомпвайки калий в клетката и натрий извън клетката. Отчитайки работата на електрогенни йонни помпи за мембранния потенциал се получава Уравнение на Томас:

където m е съотношението на броя натриеви йони към броя на калиеви йони, изпомпвани от йонни помпи през мембраната. 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, следователно в уравнението на Томас няма членове P кл [Cl -].)

Коефициентът m> 1 увеличава приноса на градиента на концентрация на калий за създаването на мембранния потенциал, така че мембранният потенциал, изчислен от Томас, е по-голям по абсолютна стойност от мембранния потенциал, изчислен от Холман, 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 на Pk, PNa и Pcl Поради намаляване на разликата в пропускливостта, абсолютната стойност на мембранния 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. Без електричество няма живот.

Потенциалът на действие се отваря преди потенциала на покой. Животинското електричество е известно отдавна. Електрически разряди на змиорки (възникващи при напрежение до 600 V, с ток от около 60 A и продължителност от около милисекунда) са били използвани от медицината още 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 представени в книгата „Трактат за силите на електричеството в мускулното движение“ (1791 г.). 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. Огромната популярност на идеите на Галвани обаче доведе до тяхното оскверняване, следи от което са останали и до днес (галванизиране на трупове, галванизъм на зрителния контакт и др.), Което предизвика недоверие към експериментите на Галвани сред физиците. 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 експериментите си той изключи биологичния обект и показа това електричествоможе да се получи чрез контакт на набор от метали, разделени от електролит (стълб на напрежение). Така е открит химически източник на ток (наречен обаче по-късно в чест на своя научен противник - галваничен елемент).

През 19 век е създадена примитивна идея за разпространението на електрически токове през нервите, сякаш 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 значително 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 електрическия нервен импулс е свързано с бавното 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 колеги. През 1963 г. Ходжкин, Хъксли и Ийкълс получават Нобелова награда за медицина "за работата на нервните клетки".

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

Експерименти за изследване на потенциала на действие бяха проведени (основно от Ходжкин и колегите му) върху гигантски аксони на калмари, като се използва методът на микроелектрода, използвайки високорезистентни измерватели на напрежение, както и методът на белязания атом. Диаграмата на експериментите и резултатите от изследванията са показани на фиг.

В експерименти за изследване на потенциала на действие са използвани два микроелектрода, поставени в аксона. Към първия микроелектрод се подава импулс с амплитуда V от правоъгълен импулсен генератор G, който променя потенциала на мембраната. Потенциалът на мембраната се измерва с помощта на втори микроелектрод от рекордер на напрежение с високо съпротивление P.

Фиг.5.2 - Изследване на потенциала за действие:

а - експериментална диаграма (G - генератор на импулси, P - рекордер на напрежение); b - потенциал на действие (φ p m - потенциал на покой, φ rev m - потенциал за обръщане, φ d m - амплитуда на потенциала на действие, φ po m - прагов потенциал)

Възбудният импулс предизвиква само краткотрайно изместване на мембранния потенциал, което бързо изчезва и потенциалът на покой се възстановява. В случай, че възбуждащият импулс се измества още повече в отрицателна посока, той е придружен 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 V nop, φ m става по-голяма от φ po m и в мембраната се развива процес, в резултат на което рязко нараства мембранният потенциал настъпва и мембранният потенциал φ m дори сменя знака си – става положителен (φ в >φ нар).

След като стигна до някои положителна стойностφ rev - обратен потенциал, мембранният потенциал се връща към стойността на потенциала на покой φ p m, като е извършил 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 (освен ако V > V nop). Ако в покой мембраната е поляризирана (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 настъпва реполяризация на мембраната. .

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 на 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 реверсионен потенциал е от натриева природа, тъй като именно дифузията на натрия 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. Тъй като външната концентрация на натрий намалява, амплитудата на потенциала на действие намалява, тъй като обратният потенциал се променя. Ако натрият е напълно отстранен от околната среда около клетката, потенциалът за действие изобщо не възниква.

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

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

след това в състояние на вълнение:

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

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

Изчисленията на потенциала за реверсия на мембраната с помощта на уравнението на Голдман, ако заместим стойностите на пропускливостта на мембраната за възбуденото състояние 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 мембранният капацитет, ∑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 причинява от презареждането на кондензатора, който е мембрана, от потока на заряди от една повърхност към друга. Стойността му се определя от количеството заряд, преминаващ от една пластина към друга за единица време dq/dt, и тъй като зарядът на кондензатора е q = C m ∆φ = C m φ m, тогава капацитивният ток е C M. Общ мембранен ток

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

Мембранна проводимост по сложен начинзависи от потенциала на мембраната и времето.

Установено е, че ако мембранният потенциал се повиши (φ m над прага), токът първо протича в клетката и 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 околната среда (където концентрацията на натрий е по-голяма) в клетката (където е по-малка) , а фаза II се обяснява с потока на калиеви йони от клетките 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 (ток 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 се зарежда положително спрямо външната.

Във втората фаза пропускливостта на мембраната за калий рязко се увеличава и положително заредените калиеви йони напускат 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 дисектиран аксон беше заменена с външен разтвор и йонният състав на външния разтвор беше направен същият като този на нормална аксоплазма. При такава подмяна на йонни състави потенциалната разлика на мембраната промени знака. Сега, в покой, вътрешната му повърхност беше заредена положително по отношение на външната. И потенциалът за действие се оказа отрицателен.

Има хипотеза, че селективната (избирателна) промяна в йонната пропускливост на възбудената мембрана: първо за Na +, а след това за K + - се обяснява с факта, че в мембраната има специални йонни канали. Има отделни натриеви и калиеви канали, които се отварят и затварят, когато нервен импулс преминава през дадена област на мембраната. В първата фаза се отварят натриеви канали, във втората фаза се отварят калиеви канали. Съответно първо се затварят натриевите канали, а след това калиевите. Отварянето и затварянето на йонните канали се причинява от промени 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 нервните импулси, което може да доведе до смърт. Доказано е, че тетродотоксинът не влияе на пропускливостта на клетките за калий, което означава, че натриевите и калиевите йони всъщност преминават през различни канали. Поради специфичната си структура молекулите на тетродотоксина изглежда 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 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, при експерименти с фиксиране на мембранния потенциал първата фаза изчезва, а тетраетиламоният, който спира преноса на калий през мембраната, 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.

Всякакви жива клеткапокрити с полупропусклива мембрана, през която се осъществява пасивно движение и активен селективен транспорт на положително и отрицателно заредени йони. Благодарение на този трансфер възниква разлика в електрическите заряди (потенциали) между външната и вътрешната повърхност на мембраната - мембранният 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 е винаги положителен, а за вътрешната повърхност на клетъчната мембрана винаги е отрицателен. Обичайно е потенциалът на покой да се измерва на вътрешната повърхност на мембраната, т.к Йонният състав на клетъчната цитоплазма е по-стабилен от този на междуклетъчната течност. Големината на потенциала на покой е относително постоянна за всеки тип клетка. За набраздени мускулни клеткитя варира от –50 до –90 mV, а за нервните клетки от –50 до –80 mV.

Причините за потенциала на покой са различни концентрации 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 хлорни аниони, отколкото 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 повишават положителния заряд на външната повърхност на клетъчната мембрана. В резултат на освобождаването на калиеви йони от клетката, техните концентрации вътре и извън клетката скоро ще се изравнят. Това обаче е предотвратено електрическа силаотблъскване на положителните калиеви йони от положително заредената външна повърхност на мембраната.

Колкото по-голяма става стойността положителен зарядна външната повърхност на мембраната, толкова по-трудно е преминаването на калиевите йони 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 калиевите йони от клетката са в равновесие, следователно електрическият заряд на мембраната в този момент се нарича калиев равновесен потенциал. За невроните е от –80 до –90 mV.

Тъй като в клетката в покой почти всички натриеви канали на мембраната са затворени, Na + йони навлизат в клетката по градиента на концентрация в малки количества. 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 (изтичането) на натриеви йони в клетката 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 почиващата клетъчна мембрана.

В покой плазмената мембранаклетките са добре пропускливи за хлорните аниони. Хлорните аниони, които са по-изобилни в извънклетъчната течност, дифундират в клетката и носят със себе си отрицателен заряд. Пълно изравняване на концентрациите на хлорни йони извън и вътре в клетката не се случва, т.к това се предотвратява от силата на електрическо взаимно отблъскване на подобни заряди. Създаден равновесен потенциал на хлора,при които влизането на хлорните 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 хлорни аниони осигуряват отрицателен потенциал върху вътрешната повърхност на мембраната на покойната нервна клетка.

СъщественоПотенциалът на мембраната в покой е, че създава електрическо поле, което действа върху макромолекулите на мембраната и дава 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, А). Това гарантира, че клетката е в състояние на покой и е готова за възбуждане. Дори сравнително малко намаляване на потенциала на мембраната в покой отваря активиращата „порта“ на натриевите канали, което премахва клетката от състояние на покой и предизвиква възбуждане.

Мембранният потенциал на покой е електрическият потенциал (резерв), образуван между външната повърхност на клетъчната мембрана и вътреВътрешната страна на мембраната спрямо външната повърхност винаги има отрицателен заряд. За клетки от всеки тип потенциалът на покой е почти постоянен. И така, при топлокръвни животни във влакната на скелетните мускули е 90 mV, за миокардни клетки - 80, за нервни клетки - 60-70. Мембранният потенциал присъства във всички живи клетки.

В съответствие със съвременна теорияразглежданият електрически резерв се формира в резултат на активно и пасивно движение на йони.

Пасивното движение се извършва, без да се изисква разход на енергия. в покой е по-пропусклив за калиеви йони. В цитоплазмата на нервните и мускулните клетки има тридесет до петдесет пъти повече от тях (калиеви йони), отколкото в междуклетъчната течност. В цитоплазмата йоните са в свободна форма и дифундират в съответствие с концентрационния градиент в извънклетъчната течност през мембраната. В междуклетъчната течност те се задържат от вътреклетъчните аниони на външната повърхност на мембраната.

Вътреклетъчното пространство съдържа главно аниони на пирогроздена, оцетна, аспарагинова и други органични киселини. Неорганичните киселини се съдържат в относително малки количества. Анионите не могат да проникнат през мембраната. Остават в клетката. Анионите са разположени от вътрешната страна на мембраната.

Поради факта, че анионите имат отрицателен заряд, а катионите имат положителен заряд, външната повърхност на мембраната има положителен заряд, а вътрешната има отрицателен заряд.

В извънклетъчната течност има осем до десет пъти повече натриеви йони, отколкото в клетката. Тяхната пропускливост е незначителна. Въпреки това, поради проникването на натриеви йони, мембранният потенциал намалява до известна степен. В същото време се извършва и дифузия на хлорни йони в клетката. Съдържанието на тези йони е петнадесет до тридесет пъти по-високо в извънклетъчните течности. Поради проникването им мембранният потенциал леко се увеличава. Освен това в мембраната има специален молекулен механизъм. Осигурява активно насърчаване на калиеви и натриеви йони към по-високи концентрации. По този начин се поддържа йонна асиметрия.

Под влияние на ензима аденозинтрифосфатаза АТФ се разгражда. Отравянето с цианид, монойодоацетат, динитрофенол и други вещества, включително тези, които спират процесите на синтез на АТФ и гликолиза, провокира неговото (АТФ) намаляване в цитоплазмата и спиране на функционирането на „помпата“.

Мембраната също е пропусклива за хлорни йони (особено в мускулните влакна). В клетки с висока пропускливост калиеви и хлорни йони в по равнообразуват латентност на мембраната. В същото време в други клетки приносът на последните към този процес е незначителен.

А. Характеристики на PD. PD е електрически процес, изразяващ се в бързи колебания в мембранния потенциал поради движението на йони в клетката и Tклетки и способни да се разпространяват без затихване(без намаление). Той осигурява предаването на сигнали между нервните клетки, между нервните центрове и работните органи, а в мускулите - процеса на електромеханично свързване (фиг. 3.3, а).

Стойността на AP на неврона варира от 80-110 mV, продължителността на пика на AP на нервните влакна е 0,5-1 ms. Амплитудата на потенциала на действие не зависи от силата на стимулацията, тя винаги е максимална за дадена клетка при определени условия: потенциалът на действие се подчинява на закона "всичко или нищо", но не се подчинява на закона за силовите отношения - закон на силата. AP или изобщо не възниква в отговор на клетъчна стимулация, ако е малка, или е с максимална величина, ако стимулацията е прагова или свръхпрагова. Трябва да се отбележи, че слабото (подпрагово) дразнене може да причини местен потенциал. Тойсе подчинява на закона на силата: с увеличаване на силата на стимула, неговата величина нараства (за повече подробности вижте раздел 3.6). АП се състои от три фази: фаза 1 - деполяризация, т.е. изчезване на клетъчния заряд - намаляване на мембранния потенциал до нула; Фаза 2 - инверсия, промяна на заряда на клетката към обратното, когато вътрешна странаклетъчната мембрана е заредена положително, а външната мембрана е заредена отрицателно (от лат. tuerogyu - обръщане); Фаза 3 - реполяризация, възстановяване на първоначалния заряд на клетката, когато вътрешната повърхност на клетъчната мембрана отново се зарежда отрицателно, а външната повърхност - положително.

Б. Механизмът на възникване на PD.Ако действието на стимул върху клетъчната мембрана води до появата на PD, тогава процесът на развитие на самия PD причинява фазови промени в пропускливостта на клетъчната мембрана, което осигурява бързото движение на Ka + йон в клетката, и K + йон извън клетката. В този случай мембранният потенциал първо намалява и след това се връща към първоначалното си ниво. На екрана на осцилоскопа отбелязаните промени в мембранния потенциал се появяват под формата на 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 енергияпод формата на електрохимични градиенти на различни йони. Ако процесът на производство на енергия е блокиран, тогава AP ще се появят за определен период от време, но след изчезването на градиентите на йонната концентрация (елиминиране на потенциалната енергия), клетката няма да генерира AP. Нека разгледаме фазите на PD.

Ориз. 3.3. Диаграма, отразяваща процеса на възбуждане. А -потенциал на действие, неговите фази: 1 - деполяризация, 2 - инверсия (превишаване), 3 - реполяризация, 4 - последваща хиперполяризация; б -натриева порта; (b-1 - клетка в покой); c - калиева врата (1 - клетка в покой). Знаците плюс (+) и минус (-) са знаците за заряд вътре и извън клетката по време на различни фази на АР. (Вижте текста за обяснения.) Има много различни именаФази на АР (няма консенсус): 1) локално възбуждане - пик на АР - следи от потенциали; 2) фаза на нарастване - фаза на спад - следи от потенциали; 3). Има и други имена.

Нека отбележим едно противоречие: термините "реполяризация" и "реверсия" са еднакви по смисъл - връщане към предишното състояние, но тези състояния са различни: в единия случай зарядът изчезва (реверсия), в другия се възстановява (реполяризация). Най-правилните имена са фазите на PD, в които Главна идея, например, промяна в заряда на клетката. В тази връзка е разумно да се използват следните наименования на фазите на АП: !) фаза на деполяризация - процесът на изчезване на клетъчния заряд до нула; 2) фаза на инверсия - промяна на заряда на клетката към противоположния. т.е. целият период на AP, когато зарядът вътре в клетката е положителен, а външният е отрицателен; 3) фаза на реполарзацин - възстановяване на клетъчния заряд до първоначалната му стойност (връщане към потенциала на покой).

1. Фаза на деполяризация(виж Фиг. 3.3, а, 1). Когато деполяризиращ стимул действа върху клетката (медиатор, електрически ток), мембранният потенциал първоначално намалява (частична деполяризация), без да се променя 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 е ниска. През този период, както и през цялата фаза на деполяризация, движеща силаосигуряване на навлизането на Na + йон в клетката са концентрационни и електрически градиенти. Нека припомним, че вътрешността на клетката е отрицателно заредена (противоположните заряди се привличат), 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 за Ca+ йони също се увеличава, но неговият ток в клетката е значително по-малък от този на Na+ йони. Условието, което осигурява навлизането на Na+ йона в клетката и последващото излизане на K* йона 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 престоя на електрически управлявания канал в отворено състояние има вероятностен характер и зависи от стойността на мембранния потенциал. Общият йонен ток във всеки момент се определя от броя на отворените канали в клетъчната мембрана. Гейт механизъм на ^-каналиразположени от външната страна на клетъчната мембрана (Na+ се придвижва в клетката), К-канал стробиращ механизъм-от вътрешната страна (К + се измества извън клетката).

Активирането на Na- и K-каналите (отваряне на вратата) се осигурява чрез намаляване на мембранния потенциал, когато клетъчната деполяризация достигне критична стойност (E kp, критично ниво на деполяризация - CUD), което обикновено е -50 mV (. други стойности са възможни), пропускливостта на мембраната за йони Na+ рязко се увеличава - отваря се голямо числозависими от напрежението врати на Na канали и Na + йони се втурват в клетката лавинообразно. 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, на проводимостта на Na+ йони - отварят се все повече и повече активиращи порти на Na каналите, което придава характер на потока на Na* йони в клетката регенеративен процес.В резултат на това PP изчезва и става равен на нула. Фазата на деполяризация завършва тук.

2. Фаза на инверсия.След изчезването на PP навлизането на Na+ в клетката продължава (m - вратата на Na-канала е все още отворена - h-2), следователно броят на положителните йони в клетката надвишава броя на отрицателните, зарядът вътре в клетката става положителен, а отвън – отрицателен. Процесът на презареждане на мембраната представлява 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) и Na* проводимостта намалява. Въпреки това, за определен период (части от милисекунда), Na + йони продължават да навлизат в клетката, както се вижда от продължаващото повишаване на AP. Това означава, че концентрационният градиент, който осигурява движението на Ka + 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 влизат 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 растежът на АР спира поради затварянето на портите на Ка каналите (b-3) и отварянето на портите на К каналите (с, 2), т.е. увеличаване на пропускливостта за K + йони. Тъй като K + йони са разположени предимно вътре в клетката, те, според градиента на концентрация, бързо напускат клетката, в резултат на което броят на положително заредените йони в клетката намалява. Зарядът на клетката започва да се връща към първоначалното си ниво. По време на фазата на инверсия, освобождаването на K* йони от клетката също се улеснява от електрическия градиент. К* йоните се изтласкват от клетката от положителния заряд и се привличат от отрицателния заряд извън клетката. Това продължава, докато положителният заряд вътре в клетката изчезне напълно - до края на фазата на инверсия (виж фиг. 3.3, А -пунктирана линия), когато започва следващата фаза на АП - 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 се състои от стойността на РР (потенциал на клетъчната мембрана в покой) и стойността на фазата на инверсия - около 20 mV. Ако мембранният потенциал в 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 К+ йони е все още висока и К+ йоните продължават бързо да напускат клетката според концентрационния градиент. Клетката отново има отрицателен заряд вътре и положителен заряд отвън (виж Фиг. 3.3, а, 3), следователно електрическият градиент не позволява на K * да напусне клетката, което намалява нейната проводимост, въпреки че продължава да излиза. Това се обяснява с факта, че ефектът на концентрационния градиент е значително изразен по-силно действиеелектрически 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 се наблюдава 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 порта. 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 АП има йонът Na*, който навлиза в клетката при повишаване на пропускливостта на клетъчната мембрана и осигурява цялата възходяща част на пика на АР. При заместване на Na + йон в средата с друг йон, например холин, или в случай на блокиране на Na канали с 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.

Роля на йоните Ca 2+ при появата на AP в нервните клетки е незначителен, в някои неврони е значителен, например в дендритите на клетките на Purkinje на малкия мозък.

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 си стойност (фиг. 3.4).

Следа хиперполяризацияклетъчна мембрана обикновено е следствие от все още оставащата повишена пропускливост на клетъчната мембрана за K +. Портата на К канала все още не е напълно затворена, така че К+ 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 клетката да бъде възбудена. Йонните помпи не са пряко отговорни за фазите на акционния потенциал,йони се движат с огромна скоростспоред концентрацията и частично електрическите градиенти.

Следова деполяризациясъщо характерни за невроните. Механизмът му не е достатъчно проучен. Може би се дължи на краткотрайно повишаване на пропускливостта на клетъчната мембрана за Ka* и навлизането му в клетката според концентрационните и електрически 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 дава възможност да се изследва големината на йонния ток през мембраната. Използването на различни блокери на йонни канали дава допълнителна възможностпроучете по-задълбочено свойствата на каналите.

Количествената връзка между йонните токове през отделните канали в клетка в покой и по време на AP и тяхната кинетика могат да бъдат определени с помощта на метода на локално потенциално притискане (patch-clamp). До мембраната се поднася микроелектрод - вендуза (вътре в нея се създава вакуум) и при наличие на канал в тази област се изследва йонният ток през него. Останалата част от техниката 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 да премине през Ka каналите, но неговият ток е 10-12 пъти по-малък, а Ma + йонът може да премине през K каналите , неговият ток е 100 пъти по-малък от тока на K + йони.

Запасът от йони в клетката, който осигурява възникването на възбуждане (AD), е огромен. Концентрационните градиенти на йони остават практически непроменени в резултат на един цикъл на възбуждане. Клетката може да се възбуди до 5 * 10 5 пъти без презареждане, т.е. без работа на помпата Ma/K. Броят импулси, които генерира и провежда нервно влакно, зависи от неговата дебелина, което определя доставката на йони. Колкото по-дебело е нервното влакно, толкова по-голям е запасът от 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 AP. Ако производството на енергия е блокирано, клетката ще бъде възбудена много повече пъти. В действителност Na/K помпата непрекъснато транспортира Na + йони от клетката и връща K + йони в клетката, в резултат на което градиентът на концентрацията на Na + и K + се поддържа 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 Na/K помпата. Това може да се дължи единствено на факта, че става достъпен за превозвача голямо количествовътреклетъчни Na ​​+ йони.