Koji joni određuju membranske potencijale ćelija. Uloga natrijum-kalijum pumpe u formiranju MPS

Bilo koji živa ćelija prekriven polupropusnom membranom kroz koju se vrši pasivno kretanje i aktivni selektivni transport pozitivno i negativno nabijenih jona. Zbog ovog prijenosa između vanjske i unutrašnje površine membrane dolazi do razlike u električnim nabojima (potencijalima) – membranskom potencijalu. Postoje tri različite manifestacije membranskog potencijala - membranski potencijal mirovanja, lokalni potencijal, ili lokalni odgovor, i akcioni potencijal.

Ako ćelija nije pogođena spoljni podražaji, tada membranski potencijal ostaje konstantan dugo vremena. Membranski potencijal takve stanice u mirovanju naziva se membranski potencijal mirovanja. Za vanjsku površinu stanične membrane potencijal mirovanja je uvijek pozitivan, a za unutrašnja površinaćelijska membrana je uvijek negativna. Uobičajeno je mjeriti potencijal mirovanja na unutrašnjoj površini membrane, jer jonski sastav citoplazme ćelije je stabilniji od sastava intersticijske tečnosti. Veličina potencijala mirovanja je relativno konstantna za svaki tip ćelije. Za poprečnoprugaste mišićne ćelije se kreće od -50 do -90 mV, a za nervne ćelije od -50 do -80 mV.

Potencijal mirovanja je uzrokovan različite koncentracije kationa i anjona izvan i unutar ćelije, kao i selektivna propusnost za njih ćelijska membrana. Citoplazma nervnih i mišićnih ćelija u mirovanju sadrži približno 30-50 puta više kalijevih kationa, 5-15 puta manje kationa natrijuma i 10-50 puta manje kloridnih anjona nego ekstracelularna tečnost.

U mirovanju su skoro svi natrijumski kanali ćelijske membrane zatvoreni, a većina kalijumovih kanala je otvorena. Kad god joni kalija naiđu na otvoreni kanal, prolaze kroz membranu. Budući da unutar ćelije ima mnogo više kalijevih jona, osmotska sila ih istiskuje iz ćelije. Oslobođeni kalijevi katjoni povećavaju pozitivni naboj na vanjskoj površini ćelijske membrane. Kao rezultat oslobađanja kalijevih jona iz ćelije, njihova koncentracija unutar i izvan ćelije uskoro bi se trebala izjednačiti. Međutim, to je spriječeno električnom odbojnom silom pozitivnih kalijevih jona s pozitivno nabijene vanjske površine membrane.

Što je veća vrijednost pozitivnog naboja na vanjskoj površini membrane, to je jonima kalija teže proći iz citoplazme kroz membranu. Joni kalija će napustiti ćeliju sve dok ne postane električna sila odbijanja jednake snage osmotski pritisak K + . Na ovom nivou potencijala na membrani, ulazak i izlazak jona kalijuma iz ćelije su u ravnoteži, stoga električni naboj na membrani u ovoj tački se zove potencijal ravnoteže kalijuma. Za neurone je od -80 do -90 mV.

Budući da su gotovo svi natrijevi kanali membrane zatvoreni u ćeliji koja miruje, ioni Na+ ulaze u ćeliju duž gradijenta koncentracije u neznatnoj količini. Oni samo u vrlo maloj mjeri kompenzuju gubitak pozitivnog naboja. unutrašnje okruženjećelije uzrokovane oslobađanjem kalijevih jona, ali ne mogu značajno nadoknaditi ovaj gubitak. Stoga prodiranje u ćeliju (curenje) jona natrijuma dovodi samo do blagog smanjenja membranskog potencijala, zbog čega potencijal membrane mirovanja ima nešto nižu vrijednost u odnosu na potencijal ravnoteže kalija.

Tako kationi kalija koji napuštaju ćeliju, zajedno sa viškom kationa natrijuma u ekstracelularnoj tekućini, stvaraju pozitivan potencijal na vanjskoj površini membrane stanice koja miruje.

U stanju mirovanja, plazma membrana ćelije je dobro propusna za hloridne anjone. Anjoni hlora, kojih ima više u ekstracelularnoj tečnosti, difunduju u ćeliju i sa sobom nose negativan naboj. Ne dolazi do potpunog izjednačavanja koncentracija jona hlora izvan i unutar ćelije, jer. ovo je spriječeno električnim međusobnim odbijanjem sličnih naboja. Created potencijal ravnoteže hlora, pri čemu su ulazak hloridnih jona u ćeliju i njihov izlazak iz nje u ravnoteži.

Stanična membrana je praktično nepropusna za velike anjone organskih kiselina. Zbog toga ostaju u citoplazmi i zajedno sa dolaznim kloridnim anionima stvaraju negativan potencijal na unutrašnjoj površini membrane nervnih ćelija u mirovanju.

Najvažniji značaj membranskog potencijala mirovanja je da stvara električno polje koje djeluje na makromolekule membrane i daje njihovim nabijenim grupama određeni položaj u prostoru. Posebno je važno da ovo električno polje određuje zatvoreno stanje aktivacionih kapija natrijumovog kanala i otvoreno stanje njihovih inaktivacionih kapija (Sl. 61, A). Time se osigurava stanje mirovanja ćelije i njena spremnost za ekscitaciju. Čak i relativno malo smanjenje potencijala membrane u mirovanju otvara aktivaciona „kapija“ natrijumskih kanala, što dovodi ćeliju iz stanja mirovanja i izaziva ekscitaciju.

Razlika u električnom potencijalu (u voltima ili mV) između tekućine na jednoj strani membrane i tekućine na drugoj strani naziva se membranski potencijal(MP) i označava se Vm. Magnituda magnetnog polja živih ćelija obično je od -30 do -100 mV, a sva ta razlika potencijala stvara se u područjima koja su direktno uz ćelijsku membranu sa obe strane. Smanjenje MF vrijednosti se naziva depolarizacija, povećati - hiperpolarizacija, vraćanje originalne vrijednosti nakon depolarizacije - repolarizacija. Membranski potencijal postoji u svim ćelijama, ali u ekscitabilnim tkivima (nervno, mišićno, žljezdano), membranski potencijal ili kako se još naziva u ovim tkivima, membranski potencijal mirovanja, igra ključnu ulogu u implementaciji njihovih fiziološke funkcije. Membranski potencijal nastaje zbog dva osnovna svojstva sve eukariotske ćelije: 1) asimetrična distribucija jona između ekstra- i intracelularne tečnosti, podržana metaboličkim procesima; 2) Selektivna permeabilnost jonskih kanala ćelijskih membrana. Da biste razumjeli kako nastaje MF, zamislite da je određena posuda podijeljena na dva odjeljka membranom koja je propusna samo za jone kalija. Neka prvi odjeljak sadrži 0,1 M, a drugi 0,01 M rastvor KCl. Budući da je koncentracija kalijevih jona (K+) u prvom odjeljku 10 puta veća nego u drugom, onda u početni trenutak za svakih 10 K+ jona koji difundiraju iz odjeljka 1 u odjeljak 2, bit će jedan jon koji difundira u obrnuti smjer. Budući da kloridni anjoni (Cl-) ne mogu proći kroz membranu zajedno s kalijevim kationima, u drugom odjeljku će se formirati višak pozitivno nabijenih jona i, naprotiv, višak Cl- jona će se pojaviti u odjeljku 1. Kao rezultat toga, postoji transmembranska razlika potencijala, što onemogućava dalju difuziju K+ u drugi pretinac, jer za to treba da savladaju privlačenje negativnih Cl- iona u trenutku ulaska u membranu iz odeljka 1 i odbijanje sličnih jona na izlazu iz membrane u odjeljak 2. Dakle, za svaki ion K+, koji u ovom trenutku prolazi kroz membranu, djeluju dvije sile - hemijski koncentracijski gradijent (ili razlika hemijskog potencijala), koji doprinosi tranziciji kalijevih jona iz prvog odjeljka u drugi odjeljak. , i električna razlika potencijala, uzrokujući da se ioni K+ kreću u suprotnom smjeru. Nakon što se ove dvije sile izbalansiraju, broj K+ jona koji se kreću iz odjeljka 1 u odjeljak 2 i obrnuto postaje jednak, elektrohemijska ravnoteža. Transmembranska razlika potencijala koja odgovara takvom stanju naziva se ravnotežni potencijal, u ovom konkretnom slučaju, ravnotežni potencijal za kalijeve ione ( Ek). Krajem 19. stoljeća Walter Nernst je ustanovio da ravnotežni potencijal zavisi od apsolutne temperature, valencije difuznog jona i omjera koncentracija ovog jona prema različite strane membrane:

gdje ex- ravnotežni potencijal za X ion, R- univerzalna plinska konstanta = 1,987 cal/(mol deg), T- apsolutna temperatura u stepenima Kelvina, F- Faradejev broj = 23060 cal/in, Z je naelektrisanje prenesenog jona, [X]1 i [x]2- koncentracija jona u odjeljcima 1 i 2.

Ako idete iz prirodni logaritam na decimalni, tada za temperaturu od 18°C i monovalentni ion, Nernstova jednadžba se može napisati na sljedeći način:

Ex= 0,058 lg

Pomoću Nernstove jednadžbe izračunavamo potencijal ravnoteže kalija za zamišljenu ćeliju, uz pretpostavku da je ekstracelularna koncentracija kalija [K + ]n = 0,01 M, a unutarćelijska je [K + ]v = 0,1 M:

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

AT ovaj slučaj, Ek je negativan, budući da će joni kalija napustiti hipotetičku ćeliju, negativno naelektrišući sloj citoplazme pored unutra membrane. Budući da postoji samo jedan difuzni jon u ovom hipotetičkom sistemu, potencijal ravnoteže kalijuma će biti jednak potencijalu membrane ( Ek \u003d Vm).

Ovaj mehanizam je također odgovoran za formiranje membranskog potencijala u stvarnim stanicama, ali za razliku od razmatranog pojednostavljenog sistema, u kojem bi samo jedan ion mogao difundirati kroz "idealnu" membranu, prave ćelijske membrane omogućavaju svim anorganskim jonima da prođu kroz jednu ili drugi. Međutim, što je membrana manje propusna za bilo koji ion, to ima manje utjecaja na magnetsko polje. S obzirom na ovu okolnost, Goldman je 1943. predložena je jednadžba za izračunavanje MF vrijednosti stvarnih ćelija, uzimajući u obzir koncentracije i relativnu permeabilnost svih difuznih jona kroz plazma membranu:

Vm = 0,058 lg

Koristeći metodu obilježenih izotopa, Richard Keynes je 1954. godine odredio permeabilnost mišićnih stanica žabe za osnovne ione. Pokazalo se da je permeabilnost za natrijum oko 100 puta manja nego za kalijum, a Cl-ion ne doprinosi stvaranju magnetnog polja. Stoga se za membrane mišićnih ćelija Goldmanova jednačina može napisati u sljedećem pojednostavljenom obliku:

Vm = 0,058 lg

Studije pomoću mikroelektroda umetnutih u ćelije pokazale su da se potencijal mirovanja ćelija skeletnih mišića žabe kreće od -90 do -100 mV. Ovako dobro slaganje eksperimentalnih i teorijskih podataka potvrđuje da je potencijal mirovanja određen difuzijskim tokovima anorganskih iona. Istovremeno, u stvarnim ćelijama membranski potencijal je blizak ravnotežnom potencijalu jona, koji karakteriše maksimalna transmembranska permeabilnost, odnosno ravnotežni potencijal jona kalijuma.

A. Karakteristike PD. PD je električni proces koji se izražava u brzoj fluktuaciji membranskog potencijala zbog kretanja jona u ćeliju i tćelije i sposobne su da se šire bez bledenja(bez dekrementa). Omogućava prijenos signala između nervne celije, između nervnih centara i radnih organa, u mišićima - proces elektromehaničkog uparivanja (slika 3.3, a).

Vrijednost AP neurona kreće se od 80-110 mV, trajanje pika AP nervnog vlakna je 0,5-1 ms. Amplituda AP ne zavisi od jačine stimulacije, uvek je maksimalna za datu ćeliju pod određenim uslovima: AP poštuje zakon sve ili ništa, ali ne poštuje zakon odnosa sila - zakon sile. AP se ili uopće ne pojavljuje kao odgovor na ćelijsku stimulaciju ako je mali, ili ima maksimalnu vrijednost ako je stimulacija na pragu ili iznad praga. Treba napomenuti da slaba (pod praga) iritacija može uzrokovati lokalni potencijal. On poštuje zakon snage: sa povećanjem jačine stimulusa, njegova veličina se povećava (za više detalja, vidi odeljak 3.6). U sastavu PD razlikuju se tri faze: 1 faza - depolarizacija, tj. nestanak naboja ćelije - smanjenje membranskog potencijala na nulu; 2 faza - inverzija, promjena ćelijskog naboja u obrnuto, kada je unutrašnja strana ćelijske membrane nabijena pozitivno, a vanjska negativno (od lat. tuerzyu - preokretanje); Faza 3 - repolarizacija, obnavljanje početnog naboja ćelije, kada je unutrašnja površina ćelijske membrane ponovo naelektrisana negativno, a vanjska - pozitivno.

B. Mehanizam nastanka PD. Ako djelovanje stimulusa na ćelijsku membranu dovodi do pojave AP, tada sam proces razvoja AP uzrokuje fazne promjene u permeabilnosti ćelijske membrane, čime se osigurava brzo kretanje jona Ka+ u ćeliju, a K+ jon - van ćelije. Vrijednost membranskog potencijala u isto vrijeme se prvo smanjuje, a zatim ponovo vraća na prvobitni nivo. Na ekranu osciloskopa, izražene promjene membranskog potencijala pojavljuju se kao vršni potencijal - PD. Nastaje kao rezultat gradijenata koncentracije jona akumuliranih i održavanih ionskim pumpama unutar i izvan ćelije, tj. zbog potencijalne energije u obliku elektrohemijskih gradijenata različiti joni. Ako je proces stvaranja energije blokiran, tada će se AP pojaviti neko vrijeme, ali nakon nestanka gradijenata koncentracije jona (eliminacija potencijalne energije), ćelija neće stvarati AP. Razmotrite faze PD.

Rice. 3.3. Šema koja odražava proces ekscitacije. a - akcioni potencijal, njegove faze: 1 - depolarizacija, 2 - inverzija (prekoračivanje), 3 - repolarizacija, 4 - hiperpolarizacija u tragovima; b - sodium gate; (b-1 - u ostatku ćelije); c - kalijumova kapija (1 - u stanju mirovanja ćelije). Znaci plus (+) i minus (-) su znakovi naboja unutar i izvan ćelije u različitim AP fazama. (Pogledajte tekst za objašnjenje.) Ima ih mnogo raznih naslova PD faze (nije bilo konsenzusa): 1) lokalna ekscitacija - PD pik - potencijali u tragovima; 2) faza porasta - faza opadanja - potencijali u tragovima; 3) depolarizacija - prekoračenje (preklapanje, eksces, let), a ova faza se, pak, deli na dva dela: uzlaznu (inverzija, OD lat. rnzipiya. Postoje i druga imena.

Uočavamo jednu kontradikciju: pojmovi "repolarizacija" i "reverzija", ali značenje je isto - povratak u prethodno stanje, ali su ta stanja različita: u jednom slučaju naboj nestaje (reverzija), u drugom se se obnavlja (repolarizacija). Najispravniji su nazivi AP faza, koji sadrže opću ideju, na primjer, promjenu naboja ćelije. U tom smislu, razumno je koristiti sljedeće nazive AP faza: a) faza depolarizacije - proces nestanka naboja ćelije na nulu; 2) faza inverzije - promjena naboja ćelije u suprotno. tj. čitav period PD, kada je naelektrisanje unutar ćelije pozitivno, a spolja negativno; 3) faza repolarizacije - vraćanje naboja ćelije na prvobitnu vrednost (povratak na potencijal mirovanja).

1. Faza depolarizacije(vidi sliku 3.3, a, jedan). Pod djelovanjem depolarizirajućeg stimulusa na ćeliju (medijator, električna struja) u početku dolazi do smanjenja membranskog potencijala (djelomična depolarizacija) bez promjene permeabilnosti membrane za ione. Kada depolarizacija dostigne približno 50% vrijednosti praga (potencijala praga), propusnost njene membrane za jon Ka+ raste, i to u prvom trenutku relativno sporo. Naravno, brzina ulaska Ka* jona u ćeliju je u ovom slučaju niska. Tokom ovog perioda, kao i tokom čitave faze depolarizacije, pokretačka snaga koji obezbjeđuju ulazak Na + jona u ćeliju, su koncentracija i električni gradijenti. Podsjetimo da je unutarnja stanica negativno nabijena (suprotni naboji se privlače), a koncentracija Na+ jona izvan ćelije je 10-12 puta veća nego unutar ćelije. Kada je neuron pobuđen, propusnost njegove membrane također se povećava za ione Ca +, ali njegova struja u ćeliju je mnogo manja od struje Na + jona. Uslov koji osigurava ulazak iona Na + u ćeliju i naknadni izlazak iona K* iz ćelije je povećanje permeabilnosti ćelijske membrane, što je određeno stanjem mehanizma kapije Na i K jonski kanali. Trajanje električno kontroliranog kanala u otvorenom stanju je vjerovatnoće po prirodi i ovisi o veličini membranskog potencijala. Ukupna struja jona u svakom trenutku određena je brojem otvorenih kanala ćelijske membrane. Mehanizam kapije ^-kanala se nalazi na vanićelijska membrana (Na+ se kreće u ćeliju), Mehanizam kapije K-kanala- iznutra (K + izlazi iz ćelije).

Aktivacija Na- i K-kanala (otvaranje kapije) obezbeđuje se smanjenjem membranskog potencijala.Kada depolarizacija ćelije dostigne kritičnu vrednost (E kp , kritični nivo depolarizacije - CUD), koja je obično -50 mV (moguće su i druge vrijednosti), propusnost membrane za ione Na + se naglo povećava - otvara se veliki broj naponskih kapija Na kanala i ioni Na + jure u ćeliju poput lavine. Kao rezultat intenzivnog protoka Na+ jona u ćeliju, proces depolarizacije se tada odvija vrlo brzo. Depolarizacija ćelijske membrane koja se razvija izaziva dodatno povećanje njene permeabilnosti i, naravno, provodljivosti Na+ iona – otvara se sve više aktivacionih kapija Na kanala, što struji Na* iona u ćeliju daje karakter regenerativni proces. Kao rezultat, PP nestaje i postaje jednak nuli. Faza depolarizacije se ovdje završava.

2. Fazna inverzija. Nakon nestanka PP, ulazak Na+ u ćeliju se nastavlja (m - kapije Na-kanala su i dalje otvorene - h-2), pa je broj pozitivnih jona u ćeliji veći od broja negativnih, naelektrisanje unutar ćelije postaje pozitivno, spolja - negativno. Proces punjenja membrane je 2. faza PD - faza inverzije (vidi sliku 3.3, c, 2). Sada električni gradijent sprečava ulazak Na + u ćeliju (pozitivni naboji se međusobno odbijaju), provodljivost Na* se smanjuje. Bez obzira na to, joni Na+ nastavljaju da ulaze u ćeliju u određenom periodu (djelići milisekundi), o čemu svjedoči kontinuirani porast AP. To znači da je koncentracijski gradijent, koji osigurava kretanje iona Na+ u ćeliju, jači od električnog, što sprječava ulazak Na* jona u ćeliju. Tokom depolarizacije membrane povećava se i njena permeabilnost za jone Ca 2+, oni takođe ulaze u ćeliju, ali je u nervnim ćelijama uloga Ca 2+ jona u razvoju AP mala. Dakle, ceo uzlazni deo AP pika je obezbeđen uglavnom ulaskom Na* jona u ćeliju.

Otprilike 0,5-1 ms nakon početka depolarizacije, povećanje AP prestaje zbog zatvaranja kapija Ka-kanala (L-3) i otvaranja kapija K-kanala (c, 2), tj. povećanje permeabilnosti za K+ ione. Budući da se K+ joni pretežno nalaze unutar ćelije, oni brzo napuštaju ćeliju, prema gradijentu koncentracije, uslijed čega se broj pozitivno nabijenih iona u ćeliji smanjuje. Naboj ćelije počinje da se vraća na prvobitni nivo. U fazi inverzije, oslobađanje K* jona iz ćelije je takođe olakšano električnim gradijentom. Ioni K* se potiskuju iz ćelije pozitivnim nabojem i privlače ih negativnim nabojem izvan ćelije. To se nastavlja do potpunog nestanka pozitivnog naboja unutar ćelije - do kraja faze inverzije (vidi sliku 3.3, a - isprekidana linija), kada počinje sljedeća faza PD - faza repolarizacije. Kalijum napušta ćeliju ne samo kroz kontrolisane kanale, čija su kapija otvorena, već i kroz nekontrolisane kanale za curenje.

Amplituda AP je zbir vrijednosti PP (membranski potencijal ćelije u mirovanju) i vrijednosti faze inverzije - oko 20 mV. Ako je membranski potencijal u stanju mirovanja ćelije mali, tada će amplituda AP ove ćelije biti mala.

3. faza repolarizacije. U ovoj fazi, propusnost stanične membrane za K+ ione je još uvijek visoka, K+ joni nastavljaju brzo napuštati ćeliju prema gradijentu koncentracije. Ćelija opet ima negativan naboj iznutra, a pozitivan naboj izvana (vidi sliku 3.3, a, 3), pa električni gradijent sprečava izlazak K* iz ćelije, što smanjuje njenu provodljivost, iako nastavlja da odlazi. To je zbog činjenice da je djelovanje gradijenta koncentracije značajno izraženo jači od akcije električni gradijent. Dakle, cijeli silazni dio AP pika nastaje zbog oslobađanja K+ jona iz ćelije. Često na kraju AP dolazi do usporavanja repolarizacije, što se objašnjava smanjenjem permeabilnosti stanične membrane za K+ ione i usporavanjem njihovog izlaska iz ćelije zbog zatvaranja K-kanala. kapije. Drugi razlog za usporavanje struje K+ jona je povezan s povećanjem pozitivnog potencijala vanjske površine ćelije i formiranjem suprotno usmjerenog električnog gradijenta.

Glavnu ulogu u nastanku PD igra jon Na*, koji ulazi u ćeliju sa povećanjem permeabilnosti ćelijske membrane i obezbjeđuje cijeli uzlazni dio AP pika. Kada se ion Na + u mediju zamijeni drugim jonom, na primjer, kolinom, ili kada su Na kanali blokirani tetrodotoksinom, AP se ne javlja u nervnoj ćeliji. Međutim, propusnost membrane za K+ jon također igra važnu ulogu. Ako se povećanje permeabilnosti za K+ jon spriječi tetraetilamonijumom, tada se membrana nakon svoje depolarizacije repolarizira mnogo sporije, samo zbog sporih nekontroliranih kanala (kanala propuštanja jona) kroz koje će K+ napustiti ćeliju.

Uloga jona Ca 2+ u pojavi PD u nervnim ćelijama je neznatan, u nekim neuronima je značajan, na primer, u dendritima Purkinjeovih ćelija malog mozga.

B. Tragovi fenomena u procesu ekscitacije ćelije. Ove pojave se izražavaju u hiperpolarizaciji ili parcijalnoj depolarizaciji ćelije nakon povratka membranskog potencijala na prvobitnu vrednost (slika 3.4).

hiperpolarizacija u tragovimaćelijska membrana je obično posljedica još uvijek preostale povećane permeabilnosti ćelijske membrane za K+. Kapije K-kanala još nisu potpuno zatvorene, pa K+ nastavlja napuštati ćeliju prema gradijentu koncentracije, što dovodi do hiperpolarizacije ćelijske membrane. Postepeno, propusnost ćelijske membrane se vraća u prvobitno stanje (natrijum i kalijum se vraćaju u prvobitno stanje), a potencijal membrane postaje isti kao što je bio pre ćelijske ekscitacije. Jonske pumpe nisu direktno odgovorne za faze akcionog potencijala, joni se kreću velikom brzinom prema koncentraciji i djelomično električnim gradijentima.

depolarizacija u tragovima takođe karakterističan za neurone. Njegov mehanizam nije dobro shvaćen. Možda je to zbog kratkotrajnog povećanja permeabilnosti stanične membrane za Ca* i njegovog ulaska u ćeliju prema koncentraciji i električnim gradijentima.

Najčešća metoda za proučavanje funkcija ionskih kanala je metoda naponske stezaljke. Membranski potencijal se mijenja i fiksira na određenom nivou primjenom električnog napona, zatim se ćelijska membrana postepeno depolarizira, što dovodi do otvaranja jonskih kanala i pojave jonske struje koja bi mogla depolarizirati ćeliju. U tom slučaju prolazi električna struja, jednaka po veličini, ali suprotnog predznaka, jonskoj struji, tako da se razlika transmembranskog potencijala ne mijenja. Ovo omogućava proučavanje veličine jonske struje kroz membranu. Upotreba različitih blokatora jonskih kanala pruža dodatnu priliku za dublje proučavanje svojstava kanala.

Kvantitativni odnos između jonskih struja kroz pojedinačne kanale u ćeliji u mirovanju i tokom PD i njihova kinetika može se odrediti metodom lokalnog stezanja potencijala (patch-clamp). Mikroelektroda se dovodi do membrane - usisne čaše (unutar nje se stvara vakuum) i, ako u ovom području postoji kanal, ispituje se struja jona kroz nju. Ostatak metode je sličan prethodnoj. I u ovom slučaju se koriste specifični blokatori kanala. Konkretno, kada se fiksni depolarizujući potencijal primeni na membranu, ustanovljeno je da K+ ion može proći i kroz Ka kanale, ali je njegova struja 10-12 puta manja, a Ma+ ion može proći kroz K kanala, njegova struja je 100 puta manja od struje K+ jona.

Zalihe jona u ćeliji, koje osiguravaju nastanak ekscitacije (AP), su ogromne. Gradijent koncentracije jona se praktički ne mijenja kao rezultat jednog ciklusa ekscitacije. Ćelija se može uzbuditi do 5*10 5 puta bez ponovnog punjenja, tj. bez rada Ma/K-pumpe. Broj impulsa koje nervno vlakno generiše i provodi zavisi od njegove debljine, što određuje snabdevanje jonima. Što je nervno vlakno deblje, veća je opskrba jonima, to više impulsa može generirati (od nekoliko stotina do milion) bez sudjelovanja Na/K-pumpe. Međutim, u tankim vlaknima, oko 1% gradijenata koncentracije Na+ i K* jona se troši na pojavu jedne TD. Ako blokirate proizvodnju energije, tada će stanica biti više puta uzbuđena. U stvarnosti, Na/K pumpa konstantno transportuje ione Na+ iz ćelije i vraća ione K+ u ćeliju, usled čega se gradijent koncentracije Na+ i K+ održava usled direktne potrošnje energije, čiji je izvor je ATP. Postoje dokazi da je povećanje intracelularne koncentracije Na + praćeno povećanjem intenziteta rada Na / K-pumpe. Ovo može biti posljedica isključivo činjenice da je veća količina intracelularnih Na + jona dostupna za nosač.

Jedna od najvažnijih funkcija biološka membrana- stvaranje i prijenos biopotencijala. Ovaj fenomen je u osnovi ekscitabilnosti ćelija, regulaciji unutarćelijskih procesa, funkcionisanju nervnog sistema, regulaciji mišićne kontrakcije i recepcije. U medicini se dijagnostičke metode zasnivaju na proučavanju električnih polja koje stvaraju biopotencijali organa i tkiva: elektrokardiografija, elektroencefalografija, elektromiografija i dr. Terapeutski efekat na tkiva i organe praktikuje se i spoljnim električnim impulsima tokom električne stimulacije.

U procesu vitalne aktivnosti u ćelijama i tkivima mogu nastati razlike u električnim potencijalima: Δj

1) redoks potencijali - usled prelaska elektrona sa jednog molekula na drugi;

2) membranski - zbog gradijenta koncentracije jona i prijenosa jona kroz membranu.

Biopotencijali zabilježeni u tijelu su uglavnom membranski potencijali.

Potencijal membrane naziva se razlika potencijala između unutrašnje (citoplazmatske) i vanjske površine membrane:

j m \u003d j out - j int.(1)

Napredak u proučavanju biopotencijala je zbog:

1) razvoj mikroelektrodne metode za intracelularno merenje potencijala;

2) stvaranje specijalnih pojačivača biopotencijala (UPT);

3) izbor uspešnih objekata za proučavanje velikih ćelija i među njima giganta akson lignje. Promjer aksona lignje doseže 0,5 mm, što je 100 - 1000 više od promjera aksona kralježnjaka, uključujući ljude. Gigantske dimenzije aksona su od velike fiziološke važnosti - one osiguravaju brz prijenos nervnog impulsa duž nervnog vlakna.

Za biofiziku, džinovski akson lignje služio je kao odličan model objekta za proučavanje biopotencijala. Mikroelektroda se može umetnuti u džinovski akson lignje bez nanošenja značajnog oštećenja aksona.

Staklena mikroelektroda je staklena mikropipeta sa vrlo tankim vrhom koji je izvučen (slika 5.1 ).

Metalna elektroda ove debljine je plastična i ne može probiti staničnu membranu, štoviše, polarizirana je. Da bi se izbjegla polarizacija elektroda, koriste se nepolarizujuće elektrode, kao što je srebrna žica presvučena solju. AgCl u rešenje KS1 ili NaCl(želatinizirana agar-agarom) punjenje mikroelektrode.

Druga elektroda - referentna elektroda - nalazi se u otopini na vanjskoj površini ćelije. Uređaj za snimanje P, koji sadrži DC pojačalo, mjeri membranski potencijal:

Slika 5.1 - Metoda mikroelektroda za mjerenje biopotencijala

a - staklena mikropipeta; b - staklena mikroelektroda;

c - šema registracije potencijala membrane

Metoda mikroelektroda omogućila je mjerenje biopotencijala ne samo na aksonu divovske lignje, već i na stanicama normalne veličine: nervnim vlaknima drugih životinja, ćelijama skeletnih mišića, ćelijama miokarda i dr.

Membranski potencijali se dijele na potencijale mirovanja i akcione potencijale.

potencijal odmora- stacionarna razlika električnog potencijala registrovana između unutrašnje i vanjske površine membrane u nepobuđenom stanju.

Potencijal mirovanja je određen različitim koncentracijama jona na različitim stranama membrane i difuzijom iona kroz membranu.

Ako je koncentracija bilo kojeg jona unutar ćelije C ext različita od koncentracije ovog jona izvan C ext i membrana je propusna za taj ion, dolazi do protoka nabijenih čestica kroz membranu, zbog čega se električna neutralnost sistem je poremećen, stvara se razlika potencijala unutar i izvan ćelije j m = j nar - j ekst što će spriječiti dalje kretanje jona kroz membranu. Kada se uspostavi ravnoteža, izjednačuju se vrijednosti elektrohemijskih potencijala na suprotnim stranama membrane: m ekst = m ekst .

Jer m = m0 + RTlnC + ZFj, onda

RTlnC ekst + ZFj ekst = RTlnC ekst + ZFj ekst

Odavde je lako doći Nernst formula za ravnotežni membranski potencijal

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

Ako je membranski potencijal posljedica prijenosa K + jona, za koje [K + ] ext > [K + ] ex i Z = +1, ravnotežni membranski potencijal

Za ione Na +: ekst< нар, Z = +1,

Ako u Nernstovoj formuli idemo od prirodnog logaritma do decimalnog logaritma, tada za pozitivan monovalentni ion (Z = +1)

Uzmimo onda temperaturu T=300 K

Uzmimo Nernstovu formulu C ext /S nar ≈100, koja po redu veličine odgovara eksperimentalnim podacima za kalij:

lg i membranski potencijal

0,06∙2V = 0,12V = 120mV,

koji je nešto veći od modula eksperimentalno izmjerenih vrijednosti potencijala mirovanja, te pomoću formula elektrostatike procjenjujemo koliko jona mora proći iz citoplazme u nećelijsku okolinu da bi se stvorio takav potencijal razlika. Radijus ćelije r = 10 µm = 10 -5 m Specifični električni kapacitet membrane (električni kapacitet po jedinici površine) Sa otkucajima =10 -2 F/m 2 . Površina membrane 4πr 2 ≈ 4π∙10 -10 m 2 ≈10 -9 m 2. Zatim kapacitivnost membrane

C=C otkucaje ∙S≈10 -2 ∙10 -9 m 2.

Apsolutna vrijednost naboja svakog znaka na površini membrane, ako o njoj razmišljamo kao o kondenzatoru,

što odgovara

Volumen ćelije

Promjena koncentracije jona u ćeliji uslijed oslobađanja 10 -17 mola jona iz stanice će biti

mala kusur koncentracija u poređenju sa promjenom koncentracije kalijevih jona unutar ćelije, iznosi samo 10 -4% koncentracije kalijuma unutar ćelije. Dakle, da bi se stvorio ravnotežni potencijal Nernstove membrane, zanemarljivo mali broj jona mora proći kroz membranu u odnosu na njihov ukupni broj u ćeliji.

Dakle, potencijal mirovanja je zapravo bliži potencijalu izračunatom Nernstovom formulom za K +. U isto vrijeme, značajno je neslaganje između eksperimentalnih i teoretskih vrijednosti. Razlog odstupanja je što se ne uzima u obzir propusnost membrane za druge jone. Istovremena difuzija kroz membranu K + , Na + i C1 - jona uzima se u obzir Goldmanovom jednačinom.

Goldmannova jednačina se može izvesti iz Nernst-Planckove jednačine.

Hajde da transformišemo ovu jednačinu:

URT=D prema Einstein relaciji. Uzimamo tzv. aproksimaciju konstantno polje Goldman. Razmotrićemo napetost električno polje u membrani je konstantan i jednak prosječnoj vrijednosti gradijenta potencijala:

gdje l je debljina membrane.

Dobijamo za gustinu protoka jona kroz membranu:

Označi Hajde da pišemo

Odvojimo varijable:

Integriramo lijevu stranu diferencijalna jednadžba u rasponu od 0 do 1, a desno od C nar = KS nar do C ext = KS ext (gdje je K koeficijent raspodjele)

Nakon potenciranja

Izrazimo to odavde:

S obzirom na to, dobijamo:

U stacionarnom slučaju, kada razlika potencijala - membranski potencijal - inhibira daljnji prijenos iona kroz membranu, ukupan protok različitih iona postaje jednak nuli:

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

Prije j postoji znak minus, uzimajući u obzir negativni naboj jona hlora. Međutim, budući da su različiti ioni uključeni u stvaranje membranskog potencijala, u ovom slučaju ne dolazi do ravnoteže, fluksovi različitih jona pojedinačno nisu jednaki nuli. Uzimajući u obzir samo tokove jK + i j Na +, onda j K+ +j Na+ =0, ili j K = - j Na + i zamjenom dobijamo:

Zbog,

Ako uzmemo u obzir i protok jona C1 -, zatim, ponavljajući prethodna razmišljanja, možemo dobiti jednadžbu za membranski potencijal stvoren strujanjima kroz membranu tri vrste jona, Goldmannova jednačina:

Brojač izraza pod znakom logaritma predstavlja koncentracije [K +] BH, BH, ali [C1 -] HAR, a u nazivniku - [K + ] NAR, H AR, ali [S1 - ] HV jer su hloridni joni negativno nabijeni.

U mirovanju, propusnost membrane za K+ ione je mnogo veća nego za Na+, i veća nego za C1-:

PK >>P Na , PK >P Na .

Za akson lignje, na primjer,

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

Prepisujemo Goldmanovu jednačinu kao:

u slučaju kada je propusnost membrane za ione natrija i hlora mnogo manja od propusnosti za kalij:

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

Dakle, Nernstova jednačina je poseban slučaj Goldmanove jednačine.

Pokazalo se da je membranski potencijal izračunat prema Goldmanovoj jednadžbi manji u apsolutnoj vrijednosti od membranskog potencijala izračunatog prema Nernstovoj formuli, bliži njegovim eksperimentalnim vrijednostima u velikim ćelijama. I Nernstova formula i Goldmanova jednadžba ne uzimaju u obzir aktivni transport jona kroz membranu, prisustvo u membranama elektrogenih (koje izazivaju razdvajanje naboja i, posljedično, pojavu razlike potencijala) ionskih pumpi, koje igraju važnu ulogu. ulogu u održavanju ionske ravnoteže u malim ćelijama. U citoplazmatskoj membrani rade K + -Na + -ATPaze, pumpajući kalijum u ćeliju, a natrijum van ćelije. Uzimajući u obzir rad elektrogenih jonskih pumpi, za membranski potencijal smo dobili tomas jednadžba:

gdje je m omjer broja jona natrijuma i broja jona kalija pumpanih kroz membranu jonskim pumpama. Najčešće K + -Na + -ATPaza radi u režimu kada je m = 3/2, m je uvijek veći od 1. (Nema pumpanja jonskih pumpi Cl, tako da nema članova P u Thomasovoj jednačini Cl [Cl -].)

Koeficijent m > 1 povećava doprinos gradijenta koncentracije kalija stvaranju membranskog potencijala; stoga je membranski potencijal izračunat prema Thomasu veći u apsolutnoj vrijednosti od membranskog potencijala izračunatog prema Golmanu i slaže se s eksperimentalnim vrijednostima za male ćelije.

Kršenje bioenergetskih procesa u ćeliji i rada K + -Na + -ATPaze dovodi do smanjenja |φ m |, u ovom slučaju membranski potencijal bolje opisuje Goldmanova jednačina.

Oštećenje stanične membrane dovodi do povećanja permeabilnosti ćelijskih membrana za sve ione: do povećanja i P to, i P Na, i P cl Zbog smanjenja razlike u permeabilnosti, apsolutna vrijednost membrane potencijal |φ m | smanjuje.

Za jako oštećene ćelije |φ m | još manje, ali negativni membranski potencijal |φ m | zbog polianiona sadržanih u ćeliji – negativno nabijenih proteina, nukleinskih kiselina i drugih velikih molekula koji ne mogu prodrijeti kroz membranu (Donnan potencijal).

akcioni potencijal

Preko električnih nervnih impulsa (akcionih potencijala) u živom organizmu, informacije se prenose od receptora do neurona mozga i od neurona mozga do mišića. Živi organizam je potpuno naelektrisan sistem. Bez struje nema života.

Akcioni potencijal je otkriven prije potencijala mirovanja. Životinjski elektricitet je poznat od davnina. Električna pražnjenja od jegulje (koja se javljaju na naponu do 600 V, sa strujom od oko 60 A i trajanjem reda milisekunde) koristila se u medicini u starom Rimu za liječenje gihta, glavobolje i epilepsije. Električni nervni impuls otkrio je Luigi Galvani, profesor anatomije u Bologni. Rezultati njegovih elektrofizioloških eksperimenata izloženi su u knjizi Traktat o silama elektriciteta u mišićnom kretanju (1791.). Galvani je otkrio da mišićne kontrakcije udova secirane žabe mogu biti uzrokovane električnim impulsom i da je sam živi sistem izvor električnog impulsa. Veliko Galvanijevo otkriće odigralo je izuzetnu ulogu u razvoju fizike, elektrotehnike, elektrohemije, fiziologije, biofizike i medicine. Međutim, ogromna popularnost Galvanijevih ideja dovela je do njihove vulgarnosti, čiji su tragovi ostali do našeg vremena (galvanizacija leševa, galvanizam dodirnih pogleda, itd.), što je izazvalo nepovjerenje fizičara u Galvanijeve eksperimente. Galvanijev mlađi savremenik, profesor fizike Alessandro Volta, bio je žestoki protivnik ideje životinjskog elektriciteta (s izuzetkom posebnih slučajeva električnih riba: električna jegulja i električna raža). U svojim eksperimentima isključio je biološki objekt i pokazao da se električna struja može dobiti kontaktom s skupom metala razdvojenih elektrolitom (voltaičnim stupom). Tako je otkriven hemijski izvor struje (nazvan, međutim, kasnije, u čast svog naučnog protivnika, galvanska ćelija).

U 19. veku se uspostavila primitivna ideja o širenju električne struje kroz nerve, kao kroz žice. Međutim, Helmholtz (druga polovina 19. veka) je pokazao da je brzina širenja nervnog impulsa samo 1-100 m/s, što je mnogo manje od brzine širenja električnog impulsa kroz žice do 3 10 8 gospođa. Stoga je do kraja 19. stoljeća većina fiziologa odbacila hipotezu o električnoj prirodi nervnog impulsa. Predloženo je da se hemijska reakcija širi duž nervnih vlakana. Zapravo, kao što je kasnije pokazano, sporo širenje električnog nervnog impulsa povezano je sa sporim punjenjem kondenzatora, koji su ćelijske membrane, kroz velike otpore. Vremenska konstanta punjenja membrane τ= RC je velika, jer su membranski kapacitet (C) i otpor R nervnog vlakna veliki.

Činjenica da je nervni impuls impuls električne struje dokazana je tek sredinom 20. vijeka, uglavnom u radovima engleskog fiziologa A. Hodgkina i njegovih saradnika. Godine 1963. Hodgkin, Huxley i Ickles dobili su Nobelovu nagradu za medicinu "za svoje djelovanje na nervnim ćelijama".

Akcioni potencijal (AP) naziva se električnim impulsom zbog promjene ionske permeabilnosti membrane i povezan je sa širenjem talasa pobuđivanja kroz živce i mišiće.

Eksperimenti proučavanja akcionog potencijala izvedeni su (uglavnom od strane Hodgkina i njegovih saradnika) na aksonima divovskih lignji metodom mikroelektroda pomoću visokootpornih voltaža, kao i metodom obeleženih atoma. Na slici je prikazana šema eksperimenata i rezultati istraživanja.

U eksperimentima za proučavanje akcionog potencijala korištene su dvije mikroelektrode umetnute u akson. Na prvu mikroelektrodu iz generatora G pravokutnih impulsa primjenjuje se impuls amplitude V, koji mijenja membranski potencijal. Membranski potencijal se mjeri pomoću druge mikroelektrode s visokootpornim naponom R.

Slika 5.2 - Studija akcionog potencijala:

a - šema eksperimenta (G - generator impulsa, P - registrator napona); b - akcijski potencijal (φ p m - potencijal mirovanja, φ rev m - potencijal reverzije, φ d m - amplituda akcijskog potencijala, φ thor m - potencijal praga)

Ekscitatorni impuls uzrokuje pomak membranskog potencijala samo za kratko vrijeme, koji brzo nestaje i potencijal mirovanja se obnavlja. U slučaju kada se ekscitatorni impuls još više pomjeri u negativnom smjeru, prati ga hiperpolarizacija membrane. Takođe, akcioni potencijal se ne formira kada je ekscitatorni impuls pozitivan (depolarizujući), ali je njegova amplituda manja od granične vrednosti V nop . Međutim, ako se pokaže da je amplituda pozitivnog, depolarizujućeg impulsa veća od vrijednosti V nop, φ m postaje veći od φ pore m i u membrani se razvija proces, uslijed kojeg dolazi do naglog povećanja membranski potencijal i membranski potencijal φ m čak mijenja svoj predznak – postaje pozitivan (φ ext >φ nar).

Dostizanje nekih pozitivna vrijednostφ roar - potencijal reverzije, membranski potencijal se vraća na vrijednost potencijala mirovanja φ p m, učinivši nešto poput prigušene oscilacije. U nervnim vlaknima i skeletnim mišićima, trajanje akcionog potencijala je oko 1 ms (a u srčanom mišiću oko 300 ms. Nakon uklanjanja ekscitacije, u membrani se uočavaju neke zaostale pojave još 1-3 ms, tokom kojih membrana je refraktorna (neekscitabilna).

Novi potencijal depolarizacije V > V nop može uzrokovati stvaranje novog akcijskog potencijala tek nakon što se membrana potpuno vrati u stanje mirovanja. Štaviše, amplituda akcionog potencijala

ne zavisi od amplitude depolarizacionog potencijala (ako je samo V > V nop). Ako je membrana polarizirana u mirovanju (potencijal citoplazme je negativan u odnosu na vanćelijsku okolinu), tada se nakon ekscitacije membrana depolarizira (potencijal unutar stanice je pozitivan), a nakon što se ekscitacija ukloni, membrana se repolarizira .

Karakteristična svojstva akcioni potencijal:

1) prisustvo granične vrednosti depolarizacionog potencijala;

2) zakon "sve ili ništa", odnosno ako je depolarizacijski potencijal veći od praga, razvija se akcioni potencijal čija amplituda ne zavisi od amplitude ekscitatornog impulsa i nema akcionog potencijala ako je amplituda depolarizacionog potencijala je manja od praga;

3) postoji period refraktornosti, neekscitabilnosti membrane tokom razvoja akcionog potencijala i rezidualnih efekata nakon uklanjanja ekscitacije;

4) u trenutku ekscitacije otpor membrane naglo opada (u aksonu lignje, sa 0,1 Ohm m 2 u mirovanju na 0,0025 Ohm m 2 tokom ekscitacije).

Ako se okrenemo podacima za vrijednosti ravnotežnih Nernstovih potencijala koje stvaraju različiti ioni, prirodno je pretpostaviti da je pozitivni reverzioni potencijal natrijeve prirode, jer upravo difuzija natrija stvara pozitivnu potencijalnu razliku između unutrašnje i vanjske površine membrane.

Možete promijeniti amplitudu impulsa akcionog potencijala promjenom koncentracije natrijuma u vanjskom okruženju. Sa smanjenjem vanjske koncentracije natrijuma, amplituda akcionog potencijala se smanjuje, kako se mijenja potencijal reverzije. Ako se natrijum potpuno ukloni iz okoline oko ćelije, ne nastaje nikakav akcioni potencijal.

Eksperimenti izvedeni sa radioaktivni izotop natrijuma, omogućilo je da se ustanovi da se, nakon ekscitacije, permeabilnost za natrijum naglo povećava. U stanju mirovanja odnos koeficijenata propusnosti membrane aksona lignje za različite ione je:

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

zatim u uzbuđenom stanju:

PK:PNa:PCl = 1:20:0,45

odnosno, u poređenju sa neuzbuđenim stanjem, kada je pobuđen, koeficijent propusnosti za natrijum se povećava za 500 puta.

Proračuni reverzijskog membranskog potencijala prema Goldmanovoj jednadžbi, ako se u njega zamijene vrijednosti propusnosti membrane za pobuđeno stanje, podudaraju se s eksperimentalnim podacima.

Ekscitacija membrane opisana je Hodgkin-Huxleyevim jednačinama. Jedna od Hodgkin-Huxleyevih jednačina ima oblik:

gdje je I m struja kroz membranu, C m je kapacitet membrane, ∑I i je zbir jonskih struja kroz membranu.

Električna struja kroz membranu sastoji se od jonskih struja: jona kalijuma - I k +, natrijuma - I Na + i drugih jona, uključujući Cl, takozvane struje curenja I k, kao i kapacitivnu struju. Kapacitivna struja nastaje zbog ponovnog punjenja kondenzatora, koji je membrana, protokom naelektrisanja s jedne njegove površine na drugu. Njegova vrijednost određena je količinom naboja koja teče s jedne ploče na drugu u jedinici vremena dq / dt, a budući da je naboj kondenzatora q = C m ∆φ = C m φ m, tada je kapacitivna struja C M. Ukupna struja membrane

Prema Hodgkin-Huxleyevoj teoriji, ekscitacija membranskog elementa povezana je s promjenama u provodljivosti membrane za Na+ i K+ jone: g K i g Na.

Provodljivosti membrane su složeno zavisne od membranskog potencijala i vremena.

Utvrđeno je da ako se membranski potencijal podigne (φ m iznad granične vrijednosti), struja prvo teče u ćeliju, a zatim van ćelije.

U eksperimentima koje su izveli Hodgkin, Huxley, Baker, Shaw, dokazano je da je faza I membranske struje povezana sa protokom jona natrijuma iz okruženje(gdje je koncentracija natrijuma veća) u ćeliju (gdje je manja), a faza II se objašnjava odlivanjem kalijevih jona iz ćelije prema van.

U svojim eksperimentima, Hodgkin i Huxley su promijenili ionski sastav okolnog rastvora. Utvrđeno je da ako se natrijum ukloni izvana, prva faza membranske struje (struja u ćeliju) nestaje. Stoga je, zapravo, prva faza razvoja akcionog potencijala povezana s povećanjem permeabilnosti membrane za jone natrija. Protok pozitivnih čestica u ćeliju dovodi do depolarizacije membrane - njena unutrašnja površina je pozitivno nabijena u odnosu na vanjsku.

U drugoj fazi naglo se povećava propusnost membrane za kalij i pozitivno nabijeni joni kalija izlaze iz ćelije, dok se natrijeva struja smanjuje. Jonski mehanizam razvoja akcionog potencijala konačno je dokazan u odlučujućem eksperimentu Hodgkina, Bakera i Shawa, u kojem je aksoplazma pripremljenog aksona zamijenjena vanjskom otopinom, a ionski sastav vanjske otopine je napravljen istim kao onaj normalne aksoplazme. Ovom zamjenom jonskih sastava, razlika potencijala na membrani promijenila je predznak. Sada, u mirovanju, njegova unutrašnja površina bila je pozitivno nabijena u odnosu na vanjsku. Ispostavilo se da je akcijski potencijal negativan.

Pretpostavlja se da je selektivna (selektivna) promjena ionske permeabilnosti pobuđene membrane: prvo za Na +, a zatim za K + - zbog činjenice da membrana ima posebne jonske kanale. Postoje odvojeni natrijum i kalijum kanali koji se otvaraju i zatvaraju tokom prolaska nervnog impulsa kroz određeni deo membrane. U prvoj fazi se otvaraju natrijumski kanali, u drugoj fazi otvaraju se kalijumovi kanali. Shodno tome, prvo se zatvaraju natrijumski kanali, a zatim kalijumovi. Otvaranje i zatvaranje ionskih kanala uzrokovano je promjenom membranskog potencijala.

Jedan od dokaza za prisustvo jonskih kanala u membrani je postojanje supstanci koje blokiraju protok jona kroz membranu. Dakle, tetrodotoksin sadržan u ribi fugu blokira ulazak natrijuma u ćeliju i na taj način ometa prijenos nervnog impulsa, što može dovesti do smrtni ishod. Dokazano je da tetrodotoksin ne utiče na propusnost ćelije za kalij, što znači da joni natrijuma i kalijuma zapravo prolaze kroz različite kanale. Zbog svoje specifične strukture, čini se da se molekuli tetrodotoksina zaglavljuju u natrijumovim kanalima. Prebrojavanjem broja molekula tetrodotoksina zaglavljenih u membrani, bilo je moguće odrediti broj natrijumskih kanala. U različitim nervnim vlaknima kičmenjaka bilo je različito - od 3 do 75 kanala po jednom kvadratnom mikrometru površine membrane (za poređenje, broj molekula fosfolipida je ≈ 2 10 6 1/μm 2).

Otkriven je i specifičan inhibitor kalijumovih kanala - tetraetilamonijum. Ako se membrana tretira tetrodotoksinom, koji blokira natrijeve kanale, prva faza nestaje u eksperimentima sa fiksiranjem membranskog potencijala, a tetraetilamonijum, koji zaustavlja prijenos kroz kalijevu membranu, uzrokuje nestanak druge faze.

Tako je ustanovljeno da je stvaranje akcionog potencijala uzrokovano protokom jona kroz membranu: prvo joni natrijuma u ćeliju, a zatim ioni kalija iz ćelije u vanjski rastvor, što je povezano sa promjenom u provodljivost membrane za jone kalija i natrija.

uspio. Prema upravljačkom mehanizmu: elektro-, hemo- i mehanički kontrolisano;
unmanaged. Nemaju mehanizam kapije i uvijek su otvoreni, joni teku stalno, ali sporo.

potencijal odmora- ovo je razlika u električnim potencijalima između vanjskog i unutrašnjeg okruženja ćelije.

Mehanizam formiranja potencijala mirovanja. Neposredni uzrok potencijala mirovanja je nejednaka koncentracija aniona i kationa unutar i izvan ćelije. Prvo, takav raspored jona opravdava se razlikom u permeabilnosti. Drugo, joni kalija napuštaju ćeliju mnogo više od natrijuma.

akcioni potencijal- ovo je ekscitacija ćelije, brza fluktuacija membranskog potencijala zbog difuzije jona u ćeliju i van ćelije.

Pod dejstvom iritansa na ćelije ekscitabilnog tkiva prvo se aktiviraju i inaktiviraju natrijumski kanali vrlo brzo, a zatim se sa izvesnim zakašnjenjem aktiviraju i inaktiviraju kalijumovi kanali.

Kao posljedica toga, ioni brzo difundiraju u ćeliju ili van nje u skladu s elektrohemijskim gradijentom. Ovo je uzbuđenje. Prema promjeni veličine i predznaka naboja, ćelije se dijele u tri faze:

1. faza - depolarizacija. Smanjenje naboja ćelije na nulu. Natrijum se kreće u ćeliju prema koncentraciji i električnom gradijentu. Stanje kretanja: kapija natrijum kanala otvorena;
2. faza - inverzija. Znak preokreta. Inverzija se sastoji od dva dijela: uzlaznog i silaznog.

Uzlazni dio. Natrijum nastavlja da se kreće u ćeliju u skladu sa gradijentom koncentracije, ali suprotno električnom gradijentu (interferira).

silazni dio. Kalij počinje napuštati ćeliju prema koncentraciji i električnom gradijentu. Kapije kalijumskog kanala su otvorene;

3. faza - repolarizacija. Kalijum nastavlja da napušta ćeliju u skladu sa koncentracijom, ali suprotno električnom gradijentu.

Kriterijumi ekscitabilnosti

S razvojem akcionog potencijala mijenja se i ekscitabilnost tkiva. Ova promjena se odvija u fazama. Stanje početne polarizacije membrane karakteristično odražava potencijal membrane mirovanja, koji odgovara početnom stanju ekscitabilnosti i, posljedično, početnom stanju ekscibilna ćelija. Ovo je normalan nivo uzbuđenja. Prespike period je period samog početka akcionog potencijala. Ekscitabilnost tkiva je blago povećana. Ova faza ekscitabilnosti je primarna egzaltacija (primarna natprirodna ekscitabilnost). Tokom razvoja prespika, membranski potencijal se približava kritičnom nivou depolarizacije, a da bi se postigao ovaj nivo, jačina stimulusa može biti manja od praga.

U toku razvoja špica (vršnog potencijala) dolazi do lavinskog strujanja jona natrijuma u ćeliju, usled čega se membrana ponovo puni i ona gubi sposobnost da reaguje ekscitacijom na podražaje iznadgranične jačine. Ova faza ekscitabilnosti naziva se apsolutna refraktornost, tj. apsolutna ne-ekscitabilnost, koja traje do kraja punjenja membrane. Apsolutna refraktornost membrane nastaje zbog činjenice da su natrijumski kanali potpuno otvoreni, a zatim inaktivirani.

Nakon završetka faze punjenja, njegova ekscitabilnost se postepeno vraća na prvobitni nivo – to je faza relativne refraktornosti, tj. relativna nerazdražljivost. Nastavlja se sve dok se naboj membrane ne vrati na vrijednost koja odgovara kritičnom nivou depolarizacije. Pošto u tom periodu potencijal membrane mirovanja još nije obnovljen, ekscitabilnost tkiva je smanjena, a nova ekscitacija može nastati samo pod dejstvom nadpražnog stimulusa. Smanjenje ekscitabilnosti u fazi relativne refraktornosti povezano je s djelomičnom inaktivacijom natrijumskih kanala i aktivacijom kalijumovih kanala.

Sledeći period odgovara povišen nivo ekscitabilnost: faza sekundarne egzaltacije ili sekundarne natprirodne ekscitabilnosti. Budući da je membranski potencijal u ovoj fazi bliži kritičnom nivou depolarizacije, u odnosu na stanje mirovanja početne polarizacije, prag stimulacije je smanjen, tj. povećana je ekscitabilnost ćelija. U ovoj fazi može nastati nova ekscitacija pod dejstvom stimulusa podpragovne jačine. Natrijumski kanali nisu potpuno inaktivirani u ovoj fazi. Povećava se membranski potencijal - javlja se stanje hiperpolarizacije membrane. udaljavajući se od kritičnom nivou depolarizacije, prag iritacije blago raste, a nova ekscitacija može nastati samo pod djelovanjem nadražaja iznadgranične vrijednosti.

Mehanizam nastanka membranskog potencijala mirovanja

Svaka stanica u mirovanju karakterizira prisutnost transmembranske potencijalne razlike (potencijala mirovanja). Tipično, razlika u naelektrisanju između unutrašnje i spoljašnje površine membrane je od -80 do -100 mV i može se meriti korišćenjem spoljašnjih i intracelularnih mikroelektroda (slika 1).

Razlika potencijala između vanjske i unutrašnje strane stanične membrane u mirovanju naziva se membranski potencijal (potencijal mirovanja).

Stvaranje potencijala mirovanja osiguravaju dva glavna procesa - neravnomjerna distribucija anorganskih iona između intra- i ekstracelularnog prostora i nejednaka propusnost stanične membrane za njih. Analiza hemijskog sastava ekstra- i intracelularne tečnosti ukazuje na izuzetno neravnomernu raspodelu jona (tabela 1).

U mirovanju, unutar ćelije ima mnogo anjona organskih kiselina i K+ iona, čija je koncentracija 30 puta veća nego izvan nje; Na+ jona je, naprotiv, 10 puta više izvan ćelije nego unutra; CI - takođe više napolju.

U mirovanju, membrana nervnih ćelija je najpropusnija za K+, manje - za CI - i vrlo malo propusna za Na+ / Permeabilnost membrane nervnih vlakana za Na+B u mirovanju je 100 puta manja nego za K+. Za mnoge anione organskih kiselina membrana u mirovanju je potpuno nepropusna.

Rice. 1. Mjerenje potencijala mirovanja mišićnog vlakna (A) pomoću intracelularne mikroelektrode: M - mikroelektroda; I - indiferentna elektroda. Snop na ekranu osciloskopa (B) pokazuje da je prije nego što je membrana probušena mikroelektrodom, razlika potencijala između M i I bila jednaka nuli. U trenutku punkcije (prikazano strelicom) otkrivena je razlika potencijala, što ukazuje da je unutrašnja strana membrane negativno nabijena u odnosu na njenu vanjsku površinu (prema B.I. Khodorovu)

Table. Intra- i ekstracelularne koncentracije jona mišićne ćelije toplokrvne životinje, mmol/l (prema J. Dudelu)

	Intracelularna koncentracija	Ekstracelularna koncentracija




A- (anjoni organskih jedinjenja)

Zbog gradijenta koncentracije, K+ dopire do vanjske površine ćelije, noseći svoj pozitivni naboj. Anioni visoke molekularne težine ne mogu pratiti K+ jer je membrana za njih nepropusna. Jon Na+ također ne može zamijeniti izgubljene jone kalija, jer je propusnost membrane za njega mnogo manja. CI- duž gradijenta koncentracije može se kretati samo unutar ćelije, povećavajući tako negativni naboj unutrašnje površine membrane. Kao rezultat ovog kretanja jona dolazi do polarizacije membrane, kada je njena vanjska površina pozitivno nabijena, a unutrašnja negativno.

Električno polje koje se stvara na membrani aktivno ometa distribuciju iona između unutrašnjeg i vanjskog sadržaja ćelije. Kako se povećava pozitivan naboj na vanjskoj površini ćelije, ionu K+, kao pozitivno nabijenom, postaje sve teže da se kreće iznutra prema van. Čini se da se kreće uzbrdo. Što je veća vrijednost pozitivnog naboja na vanjskoj površini, manji broj K+ jona može doći do površine ćelije. Pri određenoj vrijednosti potencijala na membrani, broj K+ jona koji prelaze membranu u oba smjera ispada jednak, tj. gradijent koncentracije kalijuma je uravnotežen potencijalom dostupnim na membrani. Potencijal pri kojem difuzijski tok iona postaje jednak fluksu sličnih jona koji se kreću u suprotnom smjeru naziva se ravnotežni potencijal za dati ion. Za K+ jone, ravnotežni potencijal je -90 mV. Kod mijeliniziranih nervnih vlakana vrijednost ravnotežnog potencijala za CI-ione je blizu vrijednosti membranskog potencijala mirovanja (-70 mV). Stoga, uprkos činjenici da je koncentracija CI-iona izvan vlakna veća nego unutar njega, njihova jednostrana struja se ne opaža u skladu s gradijentom koncentracije. U ovom slučaju, razlika koncentracije je uravnotežena potencijalom dostupnim na membrani.

Ion Na+ duž gradijenta koncentracije trebao je ući u ćeliju (njegov ravnotežni potencijal je +60 mV), a prisustvo negativnog naboja unutar ćelije nije smjelo spriječiti ovaj protok. U ovom slučaju, dolazni Na+ bi neutralizirao negativne naboje unutar ćelije. Međutim, to se zapravo ne događa, jer membrana u mirovanju nije jako propusna za Na+.

Najvažniji mehanizam koji održava nisku unutarćelijsku koncentraciju Na+ iona i visoku koncentraciju K+ jona je natrijum-kalijum pumpa (aktivni transport). Poznato je da ćelijska membrana ima sistem nosača, od kojih je svaki vezan za tri Na+ jona koja se nalaze unutar ćelije i izvode ih. With vanjska strana nosač se vezuje za dva K+ jona koja se nalaze izvan ćelije, koji se prenose u citoplazmu. Snabdevanje energijom za rad nosećih sistema obezbeđuje ATP. Rad pumpe na takvom sistemu dovodi do sljedećih rezultata:

podržano visoka koncentracija K+ joni unutar ćelije, što osigurava postojanost potencijala mirovanja. Zbog činjenice da se u jednom ciklusu jonske razmene iz ćelije ukloni jedan pozitivni ion više nego što ga unese, aktivni transport igra ulogu u stvaranju potencijala mirovanja. U ovom slučaju se govori o elektrogenskoj pumpi, jer ona sama stvara malu, ali konstantnu struju. pozitivnih naboja iz ćelije, te stoga direktno doprinosi stvaranju negativnog potencijala unutar nje. Međutim, doprinos elektrogene pumpe opšte značenje potencijal mirovanja je obično mali i iznosi nekoliko milivolti;
održava se niska koncentracija Na+ jona unutar ćelije, što s jedne strane osigurava rad mehanizma stvaranja akcionog potencijala, as druge strane osigurava očuvanje normalnog osmolarnosti i volumena ćelije;
Održavanjem stabilnog gradijenta koncentracije Na +, natrijum-kalijum pumpa potiče konjugovani K+, Na+ -transport aminokiselina i šećera kroz ćelijsku membranu.

Dakle, pojava transmembranske potencijalne razlike (potencijala mirovanja) je posljedica visoke provodljivosti stanične membrane u mirovanju za K+, CI- ione, ionske asimetrije u koncentracijama K+ iona i CI- iona, rada aktivni transportni sistemi (Na + / K + -ATPaza), koji stvaraju i održavaju ionsku asimetriju.

Akcioni potencijal nervnih vlakana, nervni impuls

Akcioni potencijal - ovo je kratkotrajna fluktuacija razlike potencijala membrane ekscitabilne ćelije, praćena promjenom njenog znaka naboja.

Akcioni potencijal je glavni specifični znak uzbuđenja. Njegova registracija ukazuje da su ćelija ili njene strukture na udar reagovale ekscitacijom. Međutim, kao što je već napomenuto, PD u nekim ćelijama može nastati spontano (spontano). Takve ćelije se nalaze u pejsmejkerima srca, zidovima krvnih sudova i nervnom sistemu. PD se koristi kao nosilac informacija koji ih prenosi u obliku električnih signala (električna signalizacija) duž aferentnih i eferentnih nervnih vlakana, provodnog sistema srca, a takođe i za pokretanje kontrakcije mišićnih ćelija.

Razmotrimo uzroke i mehanizam stvaranja AP u aferentnim nervnim vlaknima koja formiraju primarne senzorne receptore. Neposredni uzrok nastanka (generacije) AP u njima je receptorski potencijal.

Ako izmjerimo razliku potencijala na membrani Ranvierovog čvora najbližeg nervnom završetku, onda u intervalima između udara o kapsulu Pacinijevog tjelešca ona ostaje nepromijenjena (70 mV), a tijekom izlaganja depolarizira se gotovo istovremeno sa depolarizacija receptorske membrane nervnog završetka.

S povećanjem sile pritiska na Pacinovo tijelo, što uzrokuje povećanje potencijala receptora do 10 mV, u najbližem Ranvierovom presjeku obično se bilježi brza fluktuacija membranskog potencijala, praćena punjenjem membrane - djelovanjem. potencijal (AP), ili nervni impuls (slika 2). Ako se sila pritiska na tijelo još više poveća, povećava se amplituda receptorskog potencijala i u nervnom završetku se već stvara niz akcionih potencijala određene frekvencije.

Rice. 2. Šematski prikaz mehanizma pretvaranja receptorskog potencijala u akcioni potencijal (nervni impuls) i propagacije impulsa duž nervnog vlakna

Suština mehanizma stvaranja AP je da receptorski potencijal uzrokuje pojavu lokalnih kružnih struja između depolarizirane receptorske membrane nemijeliniziranog dijela nervnog završetka i membrane prvog Ranvierovog čvora. Ove struje, koje nose Na+, K+, CI- i drugi mineralni joni, "teku" ne samo duž, već i preko membrane nervnog vlakna u području Ranvierovog presretanja. U membrani Ranvierovih čvorova, za razliku od receptorske membrane samog nervnog završetka, nalazi se velika gustoća jonski naponski vođeni natrijum i kalijum kanali.

Kada se dostigne vrijednost depolarizacije od oko 10 mV na Ranvier intercept membrani, otvaraju se brzi naponsko-zavisni natrijumski kanali i tok Na+ jona juri kroz njih u aksoplazmu duž elektrohemijskog gradijenta. Izaziva brzu depolarizaciju i ponovno punjenje membrane Ranvierovog čvora. Međutim, istovremeno sa otvaranjem brzih naponsko-zavisnih natrijumskih kanala u Ranvierovoj spojnoj membrani, spori naponsko-zavisni kalijumovi kanali se otvaraju i K+ joni počinju da napuštaju aksoilazmu. Njihov izlaz zaostaje za ulaskom Na+ jona. Tako ioni Na+ koji velikom brzinom ulaze u aksoplazmu brzo depolariziraju i za kratko vrijeme (0,3-0,5 ms) ponovo pune membranu, a odlazeći ioni K+ obnavljaju početnu raspodjelu naboja na membrani (repolariziraju membranu). Kao rezultat toga, tokom mehaničkog djelovanja na Pacinovo tijelo sa silom jednakom ili većom od praga, uočava se kratkotrajna fluktuacija potencijala na membrani najbližeg Ranvierovog čvora u obliku brze depolarizacije i repolarizacije membrane. , tj. Generiše se PD (nervni impuls).

Budući da je direktni uzrok stvaranja AP potencijal receptora, u ovom slučaju se naziva i generatorski potencijal. Broj generiranih nervnih impulsa u jedinici vremena, identične amplitude i trajanja, proporcionalan je amplitudi potencijala receptora, a samim tim i sili pritiska na receptor. Proces pretvaranja informacije o jačini udara, ugrađene u amplitudu potencijala receptora, u broj diskretnih nervnih impulsa naziva se diskretno kodiranje informacija.

Jonski mehanizmi i vremenska dinamika procesa generisanja AP detaljnije su proučavani u eksperimentalnim uslovima uz veštačko izlaganje električnoj struji na nervnom vlaknu. različite snage i trajanje.

Priroda akcionog potencijala nervnog vlakna (nervni impuls)

Membrana nervnog vlakna na mjestu lokalizacije iritirajuće elektrode reagira na djelovanje vrlo slabe struje koja još nije dostigla graničnu vrijednost. Ovaj odgovor se naziva lokalni, a oscilacija razlike potencijala preko membrane naziva se lokalni potencijal.

Lokalni odgovor na membrani ekscitabilne ćelije može prethoditi nastanku akcionog potencijala ili se javiti kao samostalan proces. To je kratkotrajna fluktuacija (depolarizacija i repolarizacija) potencijala mirovanja, koja nije praćena punjenjem membrane. Depolarizacija membrane u toku razvoja lokalnog potencijala nastaje usled napredovanja ulaska Na+ jona u aksoplazme, a repolarizacija usled odloženog izlaska K+ jona iz aksoplazme.

Ako je membrana izložena električnoj struji sve veće jačine, tada pri vrijednosti koja se naziva granična vrijednost, depolarizacija membrane može dostići kritični nivo - Ek, na kojem se otvaraju brzi naponski natrijumski kanali. Kao rezultat, kroz njih dolazi do lavinskog sve većeg protoka Na + jona u ćeliju. Nastali proces depolarizacije poprima samoubrzavajući karakter, a lokalni potencijal se razvija u akcioni potencijal.

Već je spomenuto da je karakteristična karakteristika PD kratkotrajna inverzija (promjena) znaka naboja na membrani. Vani, za kratko vrijeme (0,3-2 ms) postaje negativno nabijen, a iznutra - pozitivno. Vrednost inverzije može biti do 30 mV, a vrednost celokupnog akcionog potencijala je 60-130 mV (slika 3).

Table. Komparativne karakteristike lokalni potencijal i akcioni potencijal

Karakteristično	Lokalni potencijal	akcioni potencijal
Provodljivost	Širi se lokalno, za 1-2 mm sa slabljenjem (dekrementom)	Širi se bez slabljenja na velike udaljenosti duž cijele dužine nervnog vlakna
zakon "sile"	posluša	Ne sluša
Zakon Sve ili Ništa	Ne sluša	posluša
fenomen sumiranja	Zbirno, povećava se sa ponovljenim čestim iritacijama ispod praga	Ne slaže se
Vrijednost amplitude
Sposobnost da budete uzbudljivi	se povećava	Smanjuje se do potpune ne-ekscitabilnosti (refraktorno)
Magnituda stimulusa	subthreshold	Prag i nadprag

Akcijski potencijal, ovisno o prirodi promjene naboja na unutrašnjoj površini membrane, dijeli se na faze depolarizacije, repolarizacije i hiperpolarizacije membrane. Depolarizacija imenovati cijeli uzlazni dio PD, na kojem se izdvajaju dijelovi koji odgovaraju lokalnom potencijalu (od nivoa E 0 prije E to), brza depolarizacija (sa nivoa E to do 0 mV), inverzije znak naelektrisanja (od 0 mV do vršne vrednosti ili početka repolarizacije). repolarizacija naziva se silazni dio AP, koji odražava proces obnavljanja početne polarizacije membrane. U početku, repolarizacija je brza, ali kako se približava nivou E 0, brzina ce može usporiti i ovaj dio se zove trag negativnosti(ili trag negativnog potencijala). Neke ćelije razvijaju hiperpolarizaciju (povećana polarizacija membrane) nakon repolarizacije. Zovu je pratiti pozitivan potencijal.

Početni dio PD velike amplitude koji brzo teče također se naziva vrhunac, ili spike Uključuje faze depolarizacije i brze repolarizacije.

U mehanizmu razvoja PD suštinsku ulogu pripada potencijalno zavisnim jonskim kanalima i neistovremenom povećanju permeabilnosti ćelijske membrane za jone Na+ i K+. Dakle, kada električna struja djeluje na ćeliju, ona uzrokuje depolarizaciju membrane i, kada se naboj membrane smanji na kritični nivo (E k), otvaraju se natrijevi kanali zavisni od napona. Kao što je već spomenuto, ovi kanali su formirani od proteinskih molekula ugrađenih u membranu, unutar kojih se nalaze pora i dva mehanizma vrata. Jedan od mehanizama kapije, aktivacioni, obezbeđuje (uz učešće segmenta 4) otvaranje (aktivaciju) kanala tokom depolarizacije membrane, a drugi (uz učešće intracelularne petlje između 3. i 4. domene) - njegova inaktivacija, koja se razvija tokom punjenja membrane (slika 4). Budući da oba ova mehanizma brzo mijenjaju poziciju gejta kanala, naponski natrijumski kanali su brzi jonski kanali. Ova okolnost je od presudnog značaja za stvaranje AP u ekscitabilnim tkivima i za njegovo provođenje duž membrana nervnih i mišićnih vlakana.

Rice. 3. Akcijski potencijal, njegove faze i jonske struje (a, o). Opis u tekstu

Rice. Slika 4. Položaj kapije i stanje aktivnosti voltaž-zavisnih natrijumovih i kalijumovih kanala na različitim nivoima polarizacije membrane

Da bi naponski natrijumski kanal propuštao Na+ ione u ćeliju, potrebno je samo otvoriti aktivacionu kapiju, pošto su inaktivaciona kapija otvorena u mirovanju. Ovo se dešava kada depolarizacija membrane dostigne nivo E to(sl. 3, 4).

Otvaranje aktivacijskih kapija natrijumskih kanala dovodi do lavinskog ulaska natrijuma u ćeliju, potaknutog djelovanjem sila njenog elektrohemijskog gradijenta. Budući da ioni Na + nose pozitivan naboj, neutraliziraju višak negativnih naboja na unutrašnjoj površini membrane, smanjuju potencijalnu razliku kroz membranu i depolariziraju je. Ubrzo, ioni Na+ daju višak pozitivnih naboja na unutrašnju površinu membrane, što je praćeno inverzijom (promjenom) predznaka naboja iz negativnog u pozitivno.

Međutim, natrijumski kanali ostaju otvoreni samo oko 0,5 ms, a nakon ovog perioda od početka

AP zatvara kapiju inaktivacije, natrijumski kanali postaju inaktivirani i nepropusni za jone Na+, čiji je ulazak u ćeliju oštro ograničen.

Od trenutka depolarizacije membrane do nivoa E to aktivacija kalijumovih kanala i otvaranje njihovih kapija za K+ jone se takođe primećuje. K+ joni napuštaju ćeliju pod djelovanjem sila gradijenta koncentracije, noseći iz nje pozitivne naboje. Međutim, mehanizam kapije kalijumovih kanala sporo funkcioniše i brzina oslobađanja pozitivnih naelektrisanja sa K+ jonima iz ćelije ka spolja zaostaje za ulaskom Na+ jona. Protok K+ iona, uklanjajući višak pozitivnih naboja iz ćelije, uzrokuje obnavljanje početne raspodjele naboja na membrani ili njenu repolarizaciju, a na njenoj unutrašnjoj strani, nakon trenutka od trenutka ponovnog punjenja, vraća se negativni naboj. .

Moguća je pojava AP na ekscitabilnim membranama i naknadno obnavljanje početnog potencijala mirovanja na membrani jer je dinamika ulaska i izlaska pozitivnih naboja Na+ i K+ jona u ćeliju različita. Ulazak Na+ jona je ispred izlaska K+ jona u vremenu. Kada bi ovi procesi bili u ravnoteži, tada se razlika potencijala preko membrane ne bi promijenila. Razvoj sposobnosti pobuđivanja i generiranja AP-a od strane ekscitabilnih mišićnih i nervnih ćelija bio je posljedica formiranja dva tipa ionskih kanala različite brzine u njihovoj membrani - brzog natrijuma i sporog kalija.

Generisanje jedne AP zahteva ulazak u ćeliju relativno veliki broj Na + jona, što ne remeti njegovu distribuciju izvan i unutar ćelije. Prilikom stvaranja velikog broja AP, distribucija jona na obje strane ćelijske membrane mogla bi biti poremećena. Međutim, u normalnim uslovima ovo se sprečava radom Na+, K+ pumpe.

U prirodnim uslovima, u neuronima CNS-a, akcioni potencijal prvenstveno nastaje u predelu aksonskog brežuljka, u aferentnim neuronima - u Ranvierovom presjeku nervnog završetka najbližeg senzornom receptoru, tj. u onim dijelovima membrane gdje postoje brzi selektivni naponsko-zavisni natrijumski kanali i spori kalijumovi kanali. U drugim tipovima ćelija (na primjer, pejsmejker, glatki miociti), ne samo natrijum i kalijum, već i kalcijum kanali igraju ulogu u nastanku PD.

Mehanizmi percepcije i konverzije signala u PD u sekundarno osjetljivim senzornim receptorima razlikuju se od mehanizama analiziranih za primarne senzorne receptore. U ovim receptorima percepciju signala provode specijalizirane neurosenzorne (fotoreceptorne, olfaktorne) ili senzorne epitelne (gustatorne, slušne, vestibularne) stanice. Svaka od ovih osjetljivih ćelija ima svoj poseban mehanizam za primanje signala. Međutim, u svim ćelijama energija opaženog signala (stimulusa) se pretvara u oscilaciju razlike potencijala plazma membrane, tj. na potencijal receptora.

Dakle, ključna tačka u mehanizmima pretvaranja opaženih signala u receptorski potencijal od strane senzornih ćelija je promena permeabilnosti jonskih kanala kao odgovor na izlaganje. Otvaranje Na+, Ca 2+, K+ -jonskih kanala tokom percepcije i transformacije signala postiže se u ovim ćelijama uz učešće G-proteina, drugih intracelularnih medijatora, vezivanje za ligande i fosforilaciju jonskih kanala. U pravilu, receptorski potencijal koji je nastao u senzornim stanicama uzrokuje oslobađanje neurotransmitera iz njih u sinaptički rascjep, koji osigurava prijenos signala na postsinaptičku membranu aferentnog nervnog završetka i stvaranje nervnog impulsa na njegovu membranu. Ovi procesi su detaljno opisani u poglavlju o senzornim sistemima.

Akcioni potencijal se može okarakterisati amplitudom i trajanjem, koji za isto nervno vlakno ostaju isti kada se AP širi duž vlakna. Stoga se akcijski potencijal naziva diskretnim potencijalom.

Između prirode uticaja na senzorne receptore i broja AP koji su nastali u aferentnom nervno vlakno kao odgovor na izlaganje, postoji definitivna veza. Leži u činjenici da se za veliku snagu ili trajanje izlaganja formira nervno vlakno više nervnih impulsa, tj. uz povećanu izloženost nervni sistem impulsi veće frekvencije će se slati sa receptora. Procesi pretvaranja informacija o prirodi udara u frekvenciju i druge parametre nervnih impulsa koji se prenose u centralni nervni sistem nazivaju se diskretno kodiranje informacija.