Які іони визначають мембранні потенціали клітин? Роль натрій-калієвого насоса у формуванні МПС

Будь-яка жива кліткапокрита напівпроникною мембраною, через яку здійснюється пасивний рух та активний виборчий транспорт позитивно та негативно заряджених іонів. Завдяки цьому перенесення між зовнішньою та внутрішньою поверхнею мембрани є різниця електричних зарядів (потенціалів) – мембранний потенціал. Існує три відрізняються один від одного прояви мембранного потенціалу - мембранний потенціал спокою, місцевий потенціал, або локальна відповідь, і потенціал дії.

Якщо на клітину не діють зовнішні подразники, то мембранний потенціал довго зберігається незмінним. Мембранний потенціал такої клітини, що покоїться, називається мембранним потенціалом спокою. Для зовнішньої поверхні мембрани клітини потенціал спокою завжди позитивний, а для внутрішньої поверхніклітинної мембрани завжди негативний. Прийнято вимірювати потенціал спокою внутрішньої поверхні мембрани, т.к. іонний склад цитоплазми клітини стабільніший, ніж міжклітинної рідини. Величина потенціалу спокою відносно стала для кожного типу клітин. Для поперечносмугастих м'язових клітин вона становить від –50 до –90 мВ, а нервових клітин від –50 до –80 мВ.

Причинами виникнення потенціалу спокою є різна концентрація катіонів та аніонівзовні та всередині клітини, а також виборча проникністьїм клітинної мембрани. Цитоплазма нервової та м'язової клітини містить приблизно в 30-50 разів більше катіонів калію, в 5-15 разів менше катіонів натрію і в 10-50 разів менше аніонів хлору, ніж позаклітинна рідина.

У стані спокою практично всі натрієві канали мембрани клітини закриті, а більшість калієвих каналів відкрито. Щоразу, коли іони калію наштовхуються на відкритий канал, вони проходять через мембрану. Оскільки всередині клітини іонів калію набагато більше, осмотична сила виштовхує їх з клітини. Катіони калію, що вийшли, збільшують позитивний заряд на зовнішній поверхні клітинної мембрани. В результаті виходу іонів калію з клітини мала б незабаром зрівнятися їх концентрація всередині та поза клітиною. Однак це перешкоджає електрична сила відштовхування позитивних іонів калію від позитивно зарядженої зовнішньої поверхні мембрани.

Чим більшою стає величина позитивного заряду на зовнішній поверхні мембрани, тим важче іонам калію проходити з цитоплазми через мембрану. Іони калію виходитимуть із клітини до того часу, поки сила електричного відштовхування стане рівною силі осмотичного тискуК+. При такому рівні потенціалу на мембрані вхід та вихід іонів калію з клітини перебувають у рівновазі, тому електричний зарядна мембрані в цей момент називається калієвим рівноважним потенціалом. Для нейронів він дорівнює від -80 до -90 мВ.

Оскільки в клітині, що покоїться, майже всі натрієві канали мембрани закриті, то іони Nа + надходять в клітину по концентраційному градієнту в незначній кількості. Вони лише дуже малою мірою відшкодовують втрату позитивного заряду внутрішнім середовищемклітини, викликану виходом іонів калію, але можуть цю втрату істотно компенсувати. Тому проникнення в клітину (витік) іонів натрію призводить лише до незначного зниження мембранного потенціалу, внаслідок чого мембранний потенціал спокою має дещо меншу величину, порівняно з калієвим рівноважним потенціалом.

Таким чином, катіони калію, що виходять з клітини, спільно з надлишком катіонів натрію у позаклітинній рідині створюють позитивний потенціал на зовнішній поверхні мембрани клітини, що покоїться.

У стані спокою плазматична мембрана клітини добре проникна для аніонів хлору. Аніони хлору, яких більше позаклітинної рідини, дифундують всередину клітини і несуть із собою негативний заряд. Повного зрівнювання концентрацій іонів хлору зовні й усередині клітини немає, т.к. цьому перешкоджає сила електричного взаємного відштовхування однойменних зарядів. Створюється хлорний рівноважний потенціалпри якому вхід іонів хлору в клітину та їх вихід із неї перебувають у рівновазі.

Мембрана клітини практично непроникна для великих аніонів органічних кислот. Тому вони залишаються в цитоплазмі і спільно з аніонами хлору, що надходять, забезпечують негативний потенціал на внутрішній поверхні мембрани нервової клітини, що покоїться.

Найважливіше значення мембранного потенціалу спокою полягає в тому, що він створює електричне поле, яке впливає на макромолекули мембрани та надає їх зарядженим групам певного положення у просторі. Особливо важливим є те, що це електричне поле зумовлює закритий стан активаційних воріт натрієвих каналів і відкритий стан їх інактиваційних воріт (рис. 61, А). Цим забезпечується стан спокою клітини та готовності її до збудження. Навіть відносно невелике зменшення мембранного потенціалу спокою відкриває активаційні «ворота» натрієвих каналів, що виводить клітину стану спокою і дає початок збудженню.

Різниця електричних потенціалів (у вольтах або мв) між рідиною, що знаходиться з одного боку мембрани і рідиною з іншого боку називається мембранним потенціалом(МП) та позначається Vм. Величина МП живих клітин становить зазвичай від -30 до -100 мв і вся ця різниця потенціалів створюється в областях, що безпосередньо прилягають з обох боків до клітинної мембрани. Зменшення величини МП називають деполяризацією, збільшення - гіперполяризацієювідновлення вихідного значення після деполяризації - реполяризація. Мембранний потенціал існує у всіх клітинах, але в збудливих тканинах (нервових, м'язових, залозистих), мембранний потенціал або як його ще називають у цих тканинах, мембранний потенціал спокою, відіграє ключову роль у реалізації їх фізіологічних функцій. Мембранний потенціал обумовлений двома основними властивостямивсіх еукаріотичних клітин: 1) асиметричним розподілом іонів між поза- та внутрішньоклітинною рідиною, що підтримується метаболічними процесами; 2) Виборчою проникністю іонних каналів клітинних мембран.Щоб усвідомити як виникає МП уявімо, що якийсь посудину розділений на два відсіки мембраною, проникної лише іонів калію. Нехай у першому відсіку міститься 0,1 М, а у другому 0,01 М розчин КСl. Оскільки концентрація іонів калію (К +) у першому відсіку в 10 разів вище, ніж у другому, то в початковий моментна кожні 10 іонів К + дифундують з відсіку 1 в другій буде припадати один іон, що дифундує в зворотному напрямку. Так як аніони хлору (Сl-) не можуть переходити через мембрану разом з катіонами калію, то в другому відсіку утворюватиметься надлишок позитивно заряджених іонів і, навпаки, у відсіку 1 виявиться надлишок іонів Сl-. В результаті виникає трансмембранна різниця потенціалів, що перешкоджає подальшій дифузії К + у другий відсік, оскільки для цього їм потрібно подолати тяжіння негативних іонів Сl-, в момент входження в мембрану з боку відсіку 1 і відштовхування однойменних іонів на виході з мембрани у відсік 2. Таким чином, на кожен іон К + , що проходить через мембрану в цей момент діють дві сили - хімічний градієнт концентрацій (або хімічна різниця потенціалів), що сприяє переходу іонів калію з першого відсіку до другого, електрична різницяпотенціалів, що змушує іони К+ рухатися у зворотному напрямку. Після того як ці дві сили врівноважуються, кількість іонів К + переміщується з відсіку 1 у відсік 2 і зрівняється, встановиться електрохімічна рівновага. Відповідна такому стану трансмембранна різниця потенціалів називається рівноважним потенціаломв даному конкретному випадку рівноважним потенціалом для іонів калію ( Ек). Наприкінці 19 століття Вальтер Нернст встановив, що рівноважний потенціал залежить від абсолютної температури, валентності дифузного іона і від відношення концентрацій даного іона по різні сторонимембрани:

де Ех-рівноважний потенціал для іона X, R -універсальна газова постійна = 1,987 кал/(моль град), T- абсолютна температурау градусах Кельвіна, F- Число Фарадея = 23060 кал/в, Z- заряд іона, що переноситься, [X] 1і [X] 2- Концентрації іона у відсіках 1 і 2.

Якщо перейти від натурального логарифмудо десяткового, то для температури 18С і моновалентного іона можна записати рівняння Нернста наступним чином:

Ех = 0,058 lg

Розрахуємо за допомогою рівняння Нернста калієвий рівноважний потенціал для уявної клітини, прийнявши, що позаклітинна концентрація калію [К + ]н = 0,01 М, а внутрішньоклітинна - [К + ]в = 0,1 М:

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

У даному випадку, Еквід'ємний, оскільки іони калію виходитимуть з гіпотетичної клітини, заряджаючи негативно шар цитоплазми, прилеглий до внутрішній сторонімембрани. Оскільки в цій гіпотетичній системі є тільки один дифузний іон, то калієвий рівноважний потенціал дорівнюватиме мембранному потенціалу ( Ек = Vм).

Наведений механізм відповідальний і за утворення мембранного потенціалу в реальних клітинах, але на відміну від розглянутої спрощеної системи, в якій через "ідеальну" мембрану міг дифундувати лише один іон, реальні клітинні мембрани пропускають у тій чи інші неорганічні іони. Проте, що менш мембрана проникна якогось іона, то менший вплив він надає МП. Враховуючи цю обставину, Голдманом у 1943р. було запропоновано рівняння для розрахунку величини МП реальних клітин, що враховує концентрації та відносну проникність через плазматичну мембрану всіх дифузних іонів:

Vм = 0,058 lg

Використовуючи метод мічених ізотопів, Річард Кейнс 1954 р. визначив проникність клітин м'язів жаби для основних іонів. Виявилося, що проникність для натрію приблизно в 100 разів менше, ніж для калію, а іон Сl-не робить ніякого внеску у створення МП. Тому для мембран м'язових клітин рівняння Голдмана можна записати у такому спрощеному вигляді:

Vм = 0,058 lg

Vм = 0,058 lg

Дослідження із застосуванням мікроелектродів, що вводяться в клітини, показали, що потенціал спокою клітин скелетних м'язів жаби коливається від -90 до -100 мв. Така хороша відповідність експериментальних даних теоретичним підтверджує, що потенціал спокою визначається дифузійними потоками неорганічних іонів. При цьому в реальних клітинах мембранний потенціал близький до рівноважного потенціалу іона, який характеризується максимальною трансмембранною проникністю, а саме до рівноважного потенціалу калію іона.

А. Характеристика ПД. ПД - електричний процес, що виражається у швидкому коливанні мембранного потенціалу внаслідок переміщення іонів у клітину та тклітини та здатний поширюватися без згасання(Без декременту). Він забезпечує передачу сигналів між нервовими клітинами, між нервовими центрами та робочими органами, у м'язах - процес електромеханічного сполучення (рис. 3.3, а).

Розмір ПД нейрона коливається не більше 80-110 мВ, тривалість піку ПД нервового волокна становить 0,5-1 мс. Амплітуда ПД не залежить від сили роздратування, вона завжди максимальна для даної клітини в конкретних умовах: ПД підпорядковується закону «все або нічого», але не підпорядковується закону силових відносин закону сили. ПД або зовсім не виникає на роздратування клітини, якщо воно мало, або він максимальної величини, якщо роздратування є пороговим чи надпороговим. Слід зазначити, що слабке (підпорогове) роздратування може спричинити локальний потенціал. Вінпідпорядковується закону сили: зі збільшенням сили стимулу величина його зростає (детальніше див. розділ 3.6). У складі ПД розрізняють три фази: 1 фаза – деполяризація, тобто. зникнення заряду клітини – зменшення мембранного потенціалу до нуля; 2 фаза – інверсія, зміна заряду клітини на зворотний, коли внутрішня сторона мембрани клітини заряджається позитивно, а зовнішня – негативно (від лат. туегзю – перевертання); 3 фаза – реполяризація, відновлення вихідного заряду клітини, коли внутрішня поверхня клітинної мембрани знову заряджається негативно, а зовнішня – позитивно.

Б. Механізм виникнення ПД.Якщо дія подразника на клітинну мембрану призводить до виникнення ПД, далі процес розвитку ПД викликають фазові зміни проникності клітинної мембрани, що забезпечує швидкий рух іона Ка + в клітину, а іона К + - з клітини. Розмір мембранного потенціалу у своїй спочатку зменшується, та був знову відновлюється до вихідного рівня. На екрані осцилографа зазначені зміни мембранного потенціалу постають у вигляді пікового потенціалу – ПД. Він виникає внаслідок накопичених та підтримуваних іонними насосами градієнтів концентрацій іонів усередині та поза клітиною, тобто. за рахунок потенційної енергії у вигляді електрохімічних градієнтів різних іонів. Якщо заблокувати процес вироблення енергії, то ПД деякий час виникатимуть, але після зникнення градієнтів концентрацій іонів (усунення потенційної енергії) клітина генерувати ПД нічого очікувати. Розглянемо фази ПД.

Рис. 3.3. Схема, що відбиває процес збудження. а -потенціал дії, його фази: 1 – деполяризація; 2 – інверсія (овершуть); 3 – реполяризація; 4 – слідова гіперполяризація; б -натрієві ворота; (Ь-1 - у стані спокою клітини); в - калієві ворота (1 - у стані спокою клітини). Знаки плюс (+) і мінус (-) - знаки заряду всередині та поза клітиною у різні фази ПД. (Див. пояснення в тексті.) Існує багато різних назвфаз ГД (єдиної думки не склалося): 1) місцеве збудження – пік ГД – слідові потенціали; 2) фаза наростання – фаза спаду – слідові потенціали; 3) деполяризація - овершут (перехльост, перевищення, переліт), причому ця фаза в свою чергу ділиться на дві частини: висхідна (інверсія, ВІД лат. шуегяю - перевертання) н низхідна (реверсія, від лат. геуегзю - повернення) рнзапія. Є й інші назви.

Зазначимо одне протиріччя: терміни «реполяризація» і «реверсія» але сенсу однакові - повернення до попереднього стану, але ці стани різні: в одному випадку заряд зникає (реверсія), в іншому відновлюється (реполяршація). Найбільш коректні транспортні засоби назви фаз ПД, в яких закладена загальна ідея, наприклад зміна заряду клітини. У зв'язку з цим обґрунтовано використовувати такі назви фаз ПД: !) фаза деполяризації - процес зникнення заряду клітини до нуля; 2) фаза інверсії – зміна заряду клітини на протилежний. тобто весь період ПД, коли всередині клітини заряд позитивний, а зовні негативний; 3) фаза реполярпзацин – відновлення заряду клітини до вихідної величини (повернення до потенціалу спокою).

1. Фаза деполяризації(див. рис. 3.3, а, 1). При дії подразника, що деполяризує, на клітину (медіатор, електричний струм) спочатку зменшення мембранного потенціалу (часткова деполяризація) відбувається без зміни проникності мембрани для іонів. Коли деполяризація досягає приблизно 50% граничної величини (порогового потенціалу), зростає проникність її мембрани для іона Ка + , причому в перший момент порівняно повільно. Природно, що швидкість входу іонів Ка* у клітину у своїй невелика. У цей період, як і під час усієї фази деполяризації, рушійною силою,забезпечує вхід іона Na + в клітину, є концентраційний та електричний градієнти. Нагадаємо, що клітина всередині заряджена негативно (різноіменні заряди притягуються один до одного), а концентрація іонів Na+ поза клітиною в 10-12 разів більша, ніж усередині клітини. При збудженні нейрона підвищується проникність його мембрани й у іонів Са+, та його струм клітину значно менше, ніж іонів Nа + . Умовою, що забезпечує вхід іона Nа + в клітину і наступний вихід іона К* з клітини, є збільшення проникності клітинної мембрани, яка визначається станом механізму воріт іонних Nа- і К-каналів. Тривалість перебування електрокерованого каналу у відкритому стані має імовірнісний характер і залежить від величини мембранного потенціалу. Сумарний струм іонів у будь-який момент визначається кількістю відкритих каналів клітинної мембрани. Воротний механізм ^-каналіврозташований на зовнішній стороніклітинної мембрани (Na+ рухається всередину клітини), ворітний механізм К-каналів-на внутрішній (До + рухається з клітини назовні).

Активація Nа- і К-каналів (відкриття воріт) забезпечується зменшенням мембранного потенціалу, Коли деполяризація клітини досягає критичної величини (E kp , критичний рівень деполяризації - КУД), яка зазвичай становить -50 мВ (можливі інші величини), проникність мембрани для іонів Nа + різко зростає - відкривається велика кількість потенціалзалежних воріт Nа-каналів та іони Nа + лавиною спрямовуються в клітину. В результаті інтенсивного струму іонів Na + всередину клітини далі процес деполяризації проходить дуже швидко. Деполяризація клітинної мембрани, що розвивається, викликає додаткове збільшення її проникності і, природно, провідності іонів Na+ - відкриваються все нові і нові активаційні т-ворота Nа-каналів, що надає струму іонів Na* в клітину характеру регенеративного процесуУ результаті ПП зникає, стає рівним нулю. Фаза деполяризації у цьому закінчується.

2. Фаза інверсії.Після зникнення ПП вхід Nа+ у клітину триває (m - ворота Na-каналів ще відкриті - h-2), тому кількість позитивних іонів у клітині перевищує кількість негативних, заряд усередині клітини стає позитивним, зовні - негативним. Процес перезарядки мембрани є 2-ю фазу ПД - фазу інверсії (див. рис. 3.3, в, 2). Тепер електричний градієнт перешкоджає входу Na+ всередину клітини (позитивні заряди відштовхуються один від одного), провідність Na* знижується. Проте деякий період (частки мілісекунди) іони Na ​​+ продовжують входити в клітину, про це свідчить продовження наростання ПД. Це означає, що концентраційний градієнт, що забезпечує рух іонів Ка + в клітину, сильніший за електричний, що перешкоджає входу іонів Nа * в клітину. Під час деполяризації мембрани збільшується проникність її й у іонів Са 2+ , вони йдуть у клітину, але у нервових клітинах роль іонів Са 2+ у розвитку ПД мала. Таким чином, вся висхідна частина піку ПД забезпечується в основному входом іонів Na* в клітину.

Приблизно через 0,5-1 мс після початку деполяризації зростання ПД припиняється внаслідок закриття воріт Ка-каналів (Ь-3) та відкриття воріт К-каналів (в, 2), тобто. збільшення проникності для іонів К+. Оскільки іони К+ знаходяться переважно всередині клітини, вони, згідно з концентраційним градієнтом, швидко виходять з клітини, внаслідок чого в клітині зменшується кількість позитивно заряджених іонів. Заряд клітки починає повертатися до вихідного рівня. У фазу інверсії виходу іонів К* із клітини сприяє також електричний градієнт. Іони К * виштовхуються позитивним зарядом із клітини і притягуються негативним зарядом зовні клітини. Так триває до зникнення позитивного заряду всередині клітини - остаточно фази інверсії (див. рис. 3.3, а -пунктирна лінія), коли починається наступна фаза ПД – фаза реполяризації. Калій виходить із клітини як по керованим каналам, ворота яких відкриті, а й по некерованим каналам витоку.

Амплітуда ПД складається з величини ПП (мембранний потенціал клітини, що покоїться) і величини фази інверсії - близько 20 мв. Якщо мембранний потенціал у стані спокою клітини малий, то амплітуда ПД цієї клітини буде невеликою.

3. Фаза реполяризації.У цій фазі проникність клітинної мембрани для іонів К+ все ще висока, іони К+ продовжують швидко виходити з клітини згідно з концентраційним градієнтом. Клітина знову всередині має негативний заряд, а зовні – позитивний (див. рис. 3.3, а, 3), тому електричний градієнт перешкоджає виходу К* із клітини, що знижує його провідність, хоча він продовжує виходити. Це пояснюється тим, що дія концентраційного градієнта виражена значно сильніші за діюелектричний градієнт. Таким чином, вся низхідна частина піку ПД обумовлена ​​виходом іона К+ із клітини. Нерідко в кінці ПД спостерігається уповільнення реполяризації, що пояснюється зменшенням проникності клітинної мембрани для іонів К+ та уповільненням виходу їх із клітини внаслідок закриття воріт К-каналів. Інша причина уповільнення струму іонів К+ пов'язана зі зростанням позитивного потенціалу зовнішньої поверхні клітини та формуванням протилежно спрямованого електричного градієнта.

Головну роль у виникненні ПД грає іон Na*, що входить у клітину при підвищенні проникності клітинної мембрани і забезпечує всю висхідну частину піку ПД. При заміні іона Nа + в середовищі на інший іон, наприклад холін, або у разі блокування Na-каналів тетродотоксином, ПД у нервовій клітині не виникає. Однак проникність мембрани для іона К+ також відіграє важливу роль. Якщо підвищення проникності для іона К+ запобігти тетраетиламмонієм, то мембрана після її деполяризації реполяризується набагато повільніше, тільки за рахунок повільних некерованих каналів (канали витоку іонів), через які К+ виходитиме з клітини.

Роль іонівСа 2+ у виникненні ПД у нервових клітинах незначна, у деяких нейронах вона суттєва, наприклад, у дендритах клітин Пуркіньє мозочка.

В. Слідові явища у процесі збудження клітини.Ці явища виражаються у гіперполяризації чи частковій деполяризації клітини після повернення мембранного потенціалу до вихідної величини (рис. 3.4).

Слідова гіперполяризаціяклітинної мембрани зазвичай є наслідком підвищеної проникності клітинної мембрани, що ще зберігається, для К + . Ворота К-каналів ще не повністю зачинені, тому К+ продовжує виходити з клітини згідно з концентраційним градієнтом, що і веде до гіперполяризації клітинної мембрани. Поступово проникність клітинної мембрани повертається до вихідної (натрієві та калієві ворота повертаються у вихідний стан), а мембранний потенціал стає таким самим, яким він був до збудження клітини. Іонні помпи безпосередньо за фази потенціалу дії не відповідають,іони переміщаються з величезною швидкістю відповідно до концентраційного та частково електричного градієнтів.

Слідова деполяризаціятакож характерна для нейронів. Механізм її вивчений недостатньо. Можливо, вона обумовлена ​​короткочасним підвищенням проникності клітинної мембрани для Ка* та входом його в клітину згідно з концентраційним та електричним градієнтами.

Найбільш поширений метод вивчення функцій іонних каналів – метод фіксації напруги (voltage-clamp). Мембранний потенціал за допомогою подачі електричної напруги змінюють і фіксують на певному рівні, потім клітинну мембрану градуально деполяризують, що веде до відкриття іонних каналів та виникнення іонного струму, який міг би деполяризувати клітину. При цьому пропускають електричний струм, що дорівнює за величиною, але протилежний за знаком іонного струму, тому трансмембранна різниця потенціалів не змінюється. Це дозволяє вивчити величину іонного струму через мембрану. Застосування різних блокаторів іонних каналів дає додаткову можливість глибше вивчити властивості каналів.

Кількісне співвідношення між іонними струмами по окремих каналах в клітині, що покоїться, і під час ПД та їх кінетику можна з'ясувати за допомогою методу локальної фіксації потенціалу (patch-clamp). До мембрани підводять мікроелектрод - присоску (всередині його створюється розрідження) і, якщо на цій ділянці виявляється канал, досліджують іонний струм через нього. В іншому методика подібна до попередньої. І в цьому випадку застосовують специфічні блокатори каналів. Зокрема, при подачі на мембрану фіксованого деполяризуючого потенціалу було встановлено, що через Ка-канали може проходити і іон К+, але його струм у 10-12 разів менше, а через К-канали може проходити іон Ма+, його струм у 100 разів менше, ніж струм іонів К+.

Запас іонів у клітині, що забезпечує виникнення збудження (ПД), величезний. Концентраційні градієнти іонів внаслідок одного циклу збудження мало змінюються. Клітина може збуджуватися до 5*10 5 разів без підзарядки, тобто. без роботи Ма/К-насос. Число імпульсів, яке генерує та проводить нервове волокно, залежить від його товщини, що визначає запас іонів. Чим товстіше нервове волокно, тим більше запас іонів, тим більше імпульсів воно може генерувати (від кількох сотень до мільйона) без участі Nа/К-насоса. Однак у тонких волокнах виникнення одного ПД витрачається близько 1% концентраційних градієнтів іонів Nа + і К*. Якщо заблокувати вироблення енергії, то клітина ще багаторазово порушуватиметься. Насправді Nа/К-насос постійно переносить іони Nа + з клітини, а іони К + повертає в клітину, внаслідок чого підтримується концентраційний градієнт Nа + і К + за рахунок безпосередньої витрати енергії, джерелом якої є АТФ. Є дані, що збільшення внутрішньоклітинної концентрації Nа+ супроводжується підвищенням інтенсивності роботи Nа/К-насоса. Це може бути пов'язано виключно з тим, що для переносника стає більша кількість внутрішньоклітинних іонів Na + .

Одна з найважливіших функцій біологічної мембрани- генерація та передача біопотенціалів. Це є основою збудливості клітин, регуляції внутрішньоклітинних процесів, роботи нервової системи, регуляції м'язового скорочення, рецепції. У медицині на дослідження електричних полів, створених біопотенціалами органів та тканин, засновано діагностичні методи: електрокардіографія, електроенцефалографія, електроміографія та інші. Практикується і лікувальна дія на тканини та органи зовнішніми електричними імпульсами при електростимуляції.

У процесі життєдіяльності у клітинах та тканинах можуть виникати різниці електричних потенціалів: Δj

1) окислювально-відновлювальні потенціали – внаслідок перенесення електронів від одних молекул до інших;

2) мембранні – внаслідок градієнта концентрації іонів та перенесення іонів через мембрану.

Біопотенціали, що реєструються в організмі, - це переважно мембранні потенціали.

Мембранним потенціаломназивається різниця потенціалів між внутрішньою (цитоплазматичною) та зовнішньою поверхнями мембрани:

j м = j нар - j вн.(1)

Прогрес у дослідженні біопотенціалів обумовлений:

1) розробкою мікроелектродного методу внутрішньоклітинного виміру потенціалів;

2) створенням спеціальних підсилювачів біопотенціалів (УПТ);

3) вибором вдалих об'єктів дослідження великих клітин та серед них гігантського аксона кальмара.Діаметр аксона кальмара сягає 0,5 мм, що у 100 - 1000 більше, ніж діаметр аксонів хребетних тварин, зокрема людини. Гігантські розміри аксона мають велике фізіологічне значення - забезпечують швидку передачу нервового імпульсу нервовим волокном.

Для біофізики гігантський аксон кальмара послужив чудовим модельним об'єктом вивчення біопотенціалів. У гігантський аксон кальмара можна запровадити мікроелектрод, не завдавши аксону значних ушкоджень.

Скляний мікроелектрод є скляною мікропіпеткою з відтягнутим дуже тонким кінчиком (рис.5.1 ).

Металевий електрод такої товщини пластичний і не може проколоти клітинну мембрану, крім того, він поляризується. Для виключення поляризації електрода використовуються електроди, що неполяризуються, наприклад срібний дріт, покритий сіллю AgClУ розчин КС1або NaCl(желатинізований агар-агаром), що заповнює мікроелектрод.

Другий електрод - електрод порівняння - розташовується у розчині біля зовнішньої поверхні клітини. Реєструючий пристрій Р, що містить підсилювач постійного струму, вимірює мембранний потенціал:

Рис.5.1 - Мікроелектродний метод вимірювання біопотенціалів

а - скляна мікропіпетка; б – скляний мікроелектрод;

в - схема реєстрації мембранного потенціалу

Мікроелектродний метод дав можливість виміряти біопотенціали не тільки на гігантському аксоні кальмара, але і на клітинах нормальних розмірів: нервових волокнах інших тварин, клітинах скелетних м'язів, клітинах міокарда та інших.

Мембранні потенціали поділяються на потенціали спокою та потенціали дії.

Потенціал спокою- стаціонарна різниця електричних потенціалів, що реєструється між внутрішньою та зовнішньою поверхнями мембрани у незбудженому стані.

Потенціал спокою визначається різною концентрацією іонів з різних боків мембрани та дифузією іонів через мембрану.

Якщо концентрація будь-якого іона всередині клітини С вн відмінна від концентрації цього іона зовні С нар і мембрана проникна для цього іона, виникає потік заряджених частинок через мембрану, внаслідок чого порушується електрична нейтральність системи, утворюється різниця потенціалів всередині та зовні клітини j м = j нар - j вн яка перешкоджатиме подальшому переміщенню іонів через мембрану. При встановленні рівноваги вирівнюються значення електрохімічних потенціалів з різних боків мембрани: m вн = m нар .

Так як m = m 0 + RTlnC + ZFj, то

RTlnC вн + ZFj вн = RTlnC нар + ZFj нар

Звідси легко отримати формулу Нернстадля рівноважного мембранного потенціалу

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

Якщо мембранний потенціал обумовлений перенесенням іонів К + ,для якого [К + ] вн > [К + ] нар та Z = +1, рівноважний мембранний потенціал

Для іонів Na + : вн< нар, Z = +1,

Якщо формулі Нернста перейти від натурального логарифму до десяткового, то позитивного одновалентного іона (Z = +1)

Приймемо температуру Т=300 К, тоді

Приймемо у формулі Нернста С вн /С нар ≈100, що по порядку величини відповідають експериментальним даним калію:

lg і мембранний потенціал

0,06∙2В = 0,12В = 120мВ,

що трохи більше модуля експериментально виміряних значень потенціалу спокою, і, користуючись формулами електростатики, оцінимо, яка кількість іонів має перейти з цитоплазми в неклітинне середовище, щоб створити таку різницю потенціалів. Радіус клітини r = 10 мкм = 10 -5 м. Питома електроємність мембрани (електромісткість на одиницю площі) Зуд =10 -2 Ф/м 2 . Площа мембрани 4πr 2 ≈ 4π∙10 -10 м 2 ≈10 -9 м 2 . Тоді електроємність мембрани

C=C уд ∙S≈10 -2 ∙10 -9 м2.

Абсолютна величина заряду кожного знака на поверхні мембрани, якщо її уявити як конденсатор,

що відповідає

Об'єм клітини

Зміна концентрації іонів у клітині внаслідок виходу з клітини 10 -17 моль іонів складе

Невелика змінаконцентрації порівняно із зміною концентрації іонів калію всередині клітини становить всього 10 -4 % від концентрації калію всередині клітини. Таким чином, щоб створити рівноважний нернстовський мембранний потенціал, через мембрану має пройти зневажливо мала кількість іонів порівняно із загальною їх кількістю у клітині.

Таким чином, потенціал спокою насправді ближче до потенціалу, розрахованого за формулою Нернста для К+. Разом з тим, привертає увагу значне розходження експериментальних і теоретичних значень. Причини розбіжності у тому, що не враховано проникність мембрани для інших іонів. Одночасна дифузія через мембрану іонів К+, Na+ та С1 – враховується рівнянням Гольдмана.

Рівняння Гольдмана можна вивести із рівняння Нернста-Планку.

Перетворимо це рівняння:

URT=D відповідно до співвідношення Ейнштейна. Приймемо так зване наближення постійного поляГольдман. Вважатимемо напруженість електричного поляу мембрані постійної та рівної середньому значенню градієнта потенціалу:

де l- Товщина мембрани.

Отримаємо для щільності іонного потоку через мембрану:

Позначимо Запишем

Розділимо змінні:

Проінтегруємо ліву частину диференціального рівнянняв межах від 0 до 1, а праву від С нар = КС нар до С вн = КС вн (де К - коефіцієнт розподілу)

Після потенціювання

Висловимо звідси:

Враховуючи, що , отримаємо:

У стаціонарному випадку, коли різниця потенціалів - мембранний потенціал - гальмує подальше перенесення іонів через мембрану, сумарний потік різних іонів стає рівним нулю:

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

Перед jстоїть знак мінус, що враховує негативний заряд іону хлору. Однак, оскільки у створенні мембранного потенціалу беруть участь різні іони, рівновага при цьому не настає, потоки різних іонів не дорівнюють нулю окремо. Якщо врахувати лише потоки j K +і j Na +, то j K+ +j Na+ =0, або j K = - j Na +і, підставивши, отримаємо:

Оскільки,

Якщо врахувати ще й потік іонів З 1 -, то, повторивши попередні міркування, можна отримати рівняння для мембранного потенціалу, створеного потоками через мембрану трьох видів іонів, рівняння Гольдмана:

У чисельнику виразу, що стоїть під знаком логарифму, представлені концентрації [До + ] ВН, BH , але [С1 - ] НАР, а у знаменнику - [До + ] НАР, H АР,але [С1 - ] ВН, оскільки іони хлору негативно заряджені.

У стані спокою проникність мембрани для іонів К + значно більша, ніж для Na + , і більше, ніж для С1 - :

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

Для аксона кальмара, наприклад,

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

Переписавши рівняння Гольдмана у вигляді:

у випадку, коли проникність мембрани для іонів натрію та хлору значно менша за проникність для калію:

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

Таким чином, рівняння Нернста - окремий випадок рівняння Гольдмана.

Мембранний потенціал, розрахований за рівнянням Гольдмана, виявився по абсолютній величині меншим від мембранного потенціалу, розрахованого за формулою «Нернста» ближче до експериментальних його значень у великих клітинах. І формула Нернста, і рівняння Гольдмана не враховують активного транспорту іонів через мембрану, наявності в електрогенних мембранах (що викликають поділ зарядів, а отже і виникнення різниці потенціалів) іонних насосів, що відіграють важливу роль у підтримці іонної рівноваги в дрібних клітинах. У цитоплазматичній мембрані працюють К+-Nа+-АТФази, що перекачують калій усередину клітини, а натрій із клітини. З урахуванням роботи електрогенних іонних насосів для мембранного потенціалу було отримано рівняння Томаса:

де m - відношення кількості іонів натрію до кількості іонів калію, що перекачуються іонними насосами через мембрану. Найчастіше К + -Nа + -АТФаза працює в режимі, коли m = 3/2, m завжди більше 1. (Немає іонних насосів, що перекачують Сlтому у рівнянні Томаса відсутні члени Р Сl [Сl -].)

Коефіцієнт m > 1 посилює внесок градієнта концентрації калію у створення мембранного потенціалу, тому мембранний потенціал, розрахований за Томасом, більший за абсолютною величиною, ніж мембранний потенціал, розрахований за Гольманом, і дає збіг з експериментальними значеннями для дрібних клітин.

Порушення біоенергетичних процесів у клітині та роботи K+-Na+-АТФази призводить до зменшення |φ м|, у цьому випадку мембранний потенціал краще описується рівнянням Гольдмана.

Ушкодження клітинної мембрани призводить до підвищення проникності клітинних мембран всім іонів: до підвищення і P до, і P Na , і P сl Внаслідок зменшення відмінності проникностей абсолютне значення мембранного потенціалу | м | знижується.

Для сильно пошкоджених клітин | м | ще менше, але зберігається негативний мембранний потенціал | м | за рахунок поліаніонів, що містяться в клітині, - негативно заряджених білків, нуклеїнових кислот та інших великих молекул, які не можуть проникнути через мембрану (доннанівський потенціал).

Потенціал дії

За допомогою електричних нервових імпульсів (потенціалів дії) у живому організмі передається інформація від рецепторів до нейронів мозку та від нейронів мозку до м'язів. Живий організм є повністю електрифікованою системою. Без електрики немає життя.

Потенціал дії було відкрито раніше потенціалу спокою. Тварина електрика відома давно. Розряди електричного вугра (що відбуваються при напрузі до 600 В, зі струмом близько 60 А та тривалістю порядку мілісекунди) використовувалися медициною ще в Стародавньому Римі для лікування подагри, головного болю, епілепсії. Електричний нервовий імпульс відкрив Луїджі Гальвані, професор анатомії у м. Болонья. Результати його електрофізіологічних дослідів викладено у книзі "Трактат про сили електрики при м'язовому русі" (1791). Гальвані відкрив, що м'язові скорочення кінцівок препарованої жаби можуть викликатися електричним імпульсом і що жива система є джерелом електричного імпульсу. Велике відкриття Гальвані відіграло визначну роль у розвитку фізики, електротехніки, електрохімії, фізіології, біофізики та медицини. Однак, величезна популярність ідей Гальвані призвела до їх профанацій, сліди яких залишилися до нашого часу (гальванізація трупів, гальванізм дотиків поглядів тощо), що викликало недовіру до експериментів Гальвані вчених-фізиків. Молодший сучасник Гальвані професор фізики Алессандро Вольта був запеклим противником ідеї тваринного електрики (крім особливих випадків електричних риб: електричного вугра та електричного ската). У своїх експериментах він виключив біологічний об'єкт і показав, що електричний струм можна отримати при контакті набору металів, розділених електролітом (вольтів стовп). Так було відкрито хімічне джерело струму (назване, проте пізніше, на честь його наукового супротивника гальванічним елементом).

У ХІХ столітті утвердилося примітивне уявлення про поширення електричних струмів по нервах, як у проводах. Проте Гельмгольцем (друга половина ХІХ століття) було показано, що швидкість поширення нервового імпульсу становить лише 1-100 м/с, це значно менше, ніж швидкість поширення електричного імпульсу проводами до 3 10 8 м/с. Тому до кінця XIX століття гіпотеза електричної природи нервового імпульсу була відкинута більшістю фізіологів. Було висунуто припущення про поширення нервових волокон хімічної реакції. Насправді, як було показано пізніше, повільне поширення електричного нервового імпульсу пов'язане з повільною перезарядкою конденсаторів, які є клітинними мембранами, через великі опори. Постійна перезаряджання мембрани τ= RC велика, оскільки великі ємність мембрани (С) і опір R нервового волокна.

Те, що нервовий імпульс є імпульсом електричного струму, було доведено лише до середини 20-го століття, в основному в роботах англійського фізіолога А. Ходжкіна та його співробітників. У 1963 році Ходжкіну, Хакслі та Іклсу було присуджено Нобелівську премію з медицини "за оперування нервових клітин".

Потенціалом дії (ПД) називається електричний імпульс, обумовлений зміною іонної проникності мембрани і пов'язаний з поширенням нервів і м'язів хвилі збудження.

Досліди щодо дослідження потенціалу дії проведені (в основному Ходжкіним та його співробітниками) на гігантських аксонах кальмара методом мікроелектродів з використанням високоомних вимірювачів напруги, а також методом мічених атомів. На риспоказані схема дослідів та результати досліджень.

У дослідах щодо дослідження потенціалу дії використовували два мікроелектроди, введені в аксон. На перший мікроелектрод подається імпульс з амплітудою V від генератора прямокутних Г імпульсів, що змінює мембранний потенціал. Мембранний потенціал вимірюється за допомогою другого мікроелектрода високоомним реєстратором напруги Р.

Рис.5.2 - Дослідження потенціалу дії:

а – схема досвіду (Г – генератор імпульсів, Р – реєстратор напруги); б - потенціал дії (φ п м - потенціал спокою, φ рев м - потенціал реверсії, φ д м - амплітуда потенціалу дії, φ пор м - пороговий потенціал)

Збудливий імпульс викликає лише короткий час зміщення мембранного потенціалу, який швидко зникає і відновлюється потенціал спокою. У тому випадку, коли збудливий імпульс зміщується ще далі в негативну сторону, він супроводжується гіперполяризацією мембрани. Також не формується потенціал дії, коли збуджуючий імпульс позитивний (деполяризуючий), але його амплітуда менше порогового значення V nop . Однак, якщо амплітуда позитивного, деполяризуючого імпульсу виявиться більше значення V nop , м стає більше φ пор м і в мембрані розвивається процес, в результаті якого відбувається різке підвищення мембранного потенціалу і мембранний потенціал φ м навіть змінює свій знак - стає позитивним (φ вн >φ нар).

Досягши деякого позитивного значенняφ рев - потенціалу реверсії, мембранний потенціал повертається до значення потенціалу спокою φ п м, зробивши щось на зразок загасаючого коливання. У нервових волокнах та скелетних м'язах тривалість потенціалу дії близько 1 мс (а в серцевому м'язі близько 300 мс. Після зняття збудження ще протягом 1 -3 мс у мембрані спостерігаються деякі залишкові явища, під час яких мембрана рефрактерна (незбудлива).

Новий деполяризуючий потенціал V > V nop може спричинити утворення нового потенціалу дії лише після повного повернення мембрани у стан спокою. Причому амплітуда потенціалу дії

не залежить від амплітуди потенціалу, що деполяризує (якщо тільки V > V nop). Якщо в спокої мембрана поляризована (потенціал цитоплазми негативний по відношенню до позаклітинного середовища), то при збудженні відбувається деполяризація мембрани (потенціал усередині клітини позитивний) і після зняття збудження відбувається реполяризація мембрани.

Характерні властивостіпотенціалу дії:

1) наявність порогового значення деполяризуючого потенціалу;

2) закон "все або нічого", тобто, якщо деполяризуючий потенціал більший за пороговий, розвивається потенціал дії, амплітуда якого не залежить від амплітуди збуджуючого імпульсу і немає потенціалу дії, якщо амплітуда деполяризуючого потенціалу менша від порогової;

3) є період рефрактерності, незбудливості мембрани під час розвитку потенціалу дії та залишкових явищ після зняття збудження;

4) у момент збудження різко зменшується опір мембрани (у аксона кальмара від 0,1 Ом м 2 у спокої до 0,0025 Ом м 2 при збудженні).

Якщо звернутися до даних для значень рівноважних нернстовських потенціалів, створених різними іонами, природно припустити, що позитивний потенціал реверсії має натрієву природу, оскільки дифузія натрію створює позитивну різницю потенціалів між внутрішньою і зовнішньою поверхнями мембрани.

Можна змінювати амплітуду імпульсу потенціалу дії, змінюючи концентрацію натрію у зовнішньому середовищі. При зменшенні зовнішньої концентрації амплітуда натрію потенціалу дії зменшується, так як змінюється потенціал реверсії. Якщо з навколишнього клітину середовища повністю видалити натрій, потенціал дії взагалі виникає.

Досліди, проведені з радіоактивним ізотопомнатрію, дозволили встановити, що при збудженні проникність натрію різко зростає. Якщо в стані спокою співвідношення коефіцієнтів проникності мембрани аксона кальмара для різних іонів:

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

то в стані збудження:

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

тобто, у порівнянні з незбудженим станом, при збудженні коефіцієнт проникності натрію зростає в 500 разів.

Розрахунки мембранного потенціалу реверсії за рівнянням Гольдмана, якщо в нього підставити значення проникності мембрани для збудженого стану, збігаються з експериментальними даними.

Порушення мембрани описується рівняннями Ходжкіна-Хакслі. Одне з рівнянь Ходжкіна-Хакслі має вигляд:

де I м – струм через мембрану, С м – ємність мембрани, ∑I i – сума іонних струмів через мембрану.

Електричний струм через мембрану складається з іонних струмів: іонів калію - I k +, натрію - I Na + та інших іонів, у тому числі Сl, так званого струму витоку I k, а також ємнісного струму. Ємнісний струм обумовлений перезарядкою конденсатора, який є мембраною, перетіканням зарядів з однієї її поверхні на іншу. Його величина визначається кількістю заряду, що перетікає з однієї обкладки на іншу за одиницю часу dq/dt, а оскільки заряд конденсатора q = С м ∆φ = С м φ м, то ємнісний струм С М . Повний мембранний струм

Згідно з теорією Ходжкіна-Хакслі, збудження елемента мембрани пов'язане зі змінами провідності мембрани для іонів Na + і К + : g K і g Na .

Провідності мембрани складним чином залежать від мембранного потенціалу та часу.

Виявлено, що, якщо підняти мембранний потенціал (м вище порогового, спочатку тече струм всередину клітини, а потім з клітини назовні).

В експериментах, проведених Ходжкіним, Хакслі, Бейкером, Шоу, було доведено, що фаза I мембранного струму пов'язана з потоком іонів натрію з довкілля(де концентрація натрію більша) у клітину (де вона менша), а фаза II пояснюється витіканням іонів калію з клітини назовні.

У своїх дослідах Ходжкін та Хакслі змінювали іонний склад навколишнього розчину. Було виявлено, що якщо зовні прибирали натрій, перша фаза мембранного струму (струм всередину клітини) пропадала. Отже, насправді перша фаза розвитку потенціалу дії пов'язана зі збільшенням проникності мембрани для іонів натрію. Потік позитивних частинок у клітину призводить до деполяризації мембрани - внутрішня поверхня її заряджається позитивно по відношенню до зовнішньої.

У другій фазі різко збільшується проникність мембрани для калію та з клітини назовні виходять позитивно заряджені іони калію, тоді як натрієвий струм зменшується. Іонний механізм розвитку потенціалу дії був остаточно доведений у вирішальному експерименті Ходжкіна, Бейкера і Шоу, в якому аксоплазму препарованого аксона замінили зовнішній розчин, а іонний склад зовнішнього розчину зробили таким же, як у нормальної аксоплазми. За такої заміни іонних складів змінила знак різниця потенціалів на мембрані. Тепер у спокої її внутрішня поверхня була заряджена позитивно по відношенню до зовнішньої. А потенціал дії виявився негативним.

Висунуто гіпотезу, що селективна (виборча) зміна іонної проникності збудженої мембрани: спочатку для Na + , а потім для К + - пояснюється тим, що в мембрані є спеціальні іонні канали. Існують окремо натрієві та калієві канали, які відкриваються та закриваються під час проходження через цю ділянку мембрани нервового імпульсу. У першій фазі – відкриваються натрієві канали, у другій фазі – калієві. Відповідно спочатку закриваються натрієві канали, а потім калієві. Відкриття та закривання іонних каналів викликається зміною мембранного потенціалу.

Один із доказів наявності в мембрані іонних каналів - існування речовин, що блокують іонні потоки через мембрану. Так, що міститься в рибі фугу тетродотоксин блокує надходження всередину клітини натрію і, таким чином, порушує передачу нервового імпульсу, що може призвести до летального результату. Доведено, що тетродотоксин не впливає на проникність клітини для калію, отже, іони натрію та калію насправді проходять через різні канали. Через свою специфічну будову молекули тетродотоксину, мабуть, застряють у натрієвих каналах. Підрахувавши кількість молекул тетродотоксину, що застрягли в мембрані, вдалося визначити кількість натрієвих каналів. У різних нервових волокнах хребетних воно було різним - від 3 до 75 каналів на один квадратний мікрометр площі мембрани (для порівняння кількість молекул фосфоліпідів 2 10 6 1/мкм 2).

Був виявлений і специфічний інгібітор калієвих каналів. тетраетиламоній. Якщо обробити мембрану тетродотоксином, що блокує натрієві канали, у дослідах з фіксацією мембранного потенціалу пропадає перша фаза, а тетраетиламмоній, що припиняє перенесення через мембрану калію, викликає зникнення другої фази.

Таким чином, встановлено, що формування потенціалу дії викликається іонними потоками через мембрану: спочатку іонів натрію всередину клітини, а потім іонів калію з клітини в зовнішній розчин, що пов'язано зі зміною провідності мембрани для іонів калію і натрію.

• керовані. За механізмом управління: електро-, хемо- та механокеровані;
• некеровані. Не мають комірного механізму і завжди відчинені, іони йдуть постійно, але повільно.

Потенціал спокою- це різниця електричних потенціалів між зовнішнім та внутрішнім середовищем клітини.

Механізм формування потенціалів спокою. Безпосередня причина потенціалу спокою – це неоднакова концентрація аніонів та катіонів усередині та поза клітиною. По-перше, таке розташування іонів обґрунтоване різницею проникності. По-друге, іонів калію виходить із клітини значно більше, ніж натрію.

Потенціал дії- це збудження клітини, швидке коливання мембранного потенціалу внаслідок дифузії іонів у клітину та з клітини.

При дії подразника на клітини збудливої ​​тканини спочатку дуже швидко активуються та інактивуються натрієві канали, потім з деяким запізненням активуються та інактивуються калієві канали.

Внаслідок цього іони швидко дифундують у клітину або з неї згідно з електрохімічним градієнтом. Це і є збудження. По зміні величин і знаку заряду клітини виділяють три фази:

• 1-я фаза - деполяризація. Зменшення заряду клітки до нуля. Натрій рухається до клітини згідно з концентраційним та електричним градієнтом. Умова руху: відчинені ворота натрієвого каналу;
• 2-га фаза - інверсія. Зміна знаку заряду протилежний. Інверсія передбачає дві частини: висхідну та низхідну.

Висхідна частина. Натрій продовжує рухатися в клітину згідно з концентраційним градієнтом, але всупереч електричному градієнту (він перешкоджає).

Низхідна частина. Калій починає виходити з клітини згідно з концентраційним та електричним градієнтом. Відкриті ворота калієвого каналу;

• 3-тя фаза - реполяризація. Калій продовжує виходити з клітини згідно з концентраційним, але всупереч електричному градієнту.

Критерії збудливості

У разі розвитку потенціалу дії відбувається зміна збудливості тканини. Ця зміна протікає фазами. Стан вихідної поляризації мембрани характерно відображає мембранний потенціал спокою, якому відповідає вихідний стан збудливості, а отже, вихідний стан збудливої ​​клітини. Це нормальний рівень збудливості. Період передспайка - період початку потенціалу дії. Збудливість тканини трохи підвищена. Ця фаза збудливості – первинна екзальтація (первинна супернормальна збудливість). Під час розвитку передспайка мембранний потенціал наближається до критичного рівня деполяризації і для досягнення цього рівня сила подразника може бути меншою за порогову.

У період розвитку спайка (пікового потенціалу) йде лавиноподібне надходження іонів натрію всередину клітини, у результаті відбувається перезарядка мембрани, і вона втрачає здатність відповідати збудженням на подразники надпорогової сили. Ця фаза збудливості одержала назву абсолютної рефрактерності, тобто. абсолютної незбудливості, що триває до кінця перезаряджання мембрани. Абсолютна рефрактерність мембрани виникає через те, що натрієві канали повністю відкриваються, а потім інактивуються.

Після закінчення фази перезарядки збудливість її поступово відновлюється до початкового рівня це фаза відносної рефрактерності, тобто. відносної незбудливості. Вона продовжується до відновлення заряду мембрани до величини, що відповідає критичному рівню деполяризації. Оскільки в цей період мембранний потенціал спокою ще не відновлений, то збудливість тканини знижена, і нове збудження може виникнути лише за дії надпорогового подразника. Зниження збудливості у фазу відносної рефрактерності пов'язане з частковою інактивацією натрієвих каналів та активацією калієвих каналів.

Наступному періоду відповідає підвищений рівеньзбудливості: фаза вторинної екзальтації або вторинної супернормальної збудливості. Оскільки мембранний потенціал у цю фазу ближче до критичного рівня деполяризації, проти станом спокою вихідної поляризації, то поріг подразнення знижений, тобто. збудливість клітини підвищена. У цю фазу нове збудження може виникнути під час дії подразників підпорогової сили. Натрієві канали в цю фазу не повністю інактивовані. Мембранний потенціал збільшується – виникає стан гіперполяризації мембрани. Віддаляючись від критичного рівнядеполяризації, поріг подразнення злегка підвищується, і нове збудження може виникнути лише за дії подразників надпорогової величини.

Механізм виникнення мембранного потенціалу спокою

Кожна клітина у стані спокою характеризується наявністю трансмембранної різниці потенціалів (потенціалу спокою). Зазвичай різниця зарядів між внутрішньою та зовнішньою поверхнями мембран становить від -80 до -100 мВ і може бути виміряна за допомогою зовнішнього та внутрішньоклітинного мікроелектродів (рис. 1).

Різниця потенціалів між зовнішньою та внутрішньою сторонами мембрани клітини у стані її спокою називають мембранним потенціалом (потенціалом спокою).

Створення потенціалу спокою забезпечується двома основними процесами - нерівномірним розподілом неорганічних іонів між внутрішньо-і позаклітинним простором та неоднаковою проникністю для них клітинної мембрани. Аналіз хімічного складу поза- та внутрішньоклітинної рідини свідчить про вкрай нерівномірний розподіл іонів (табл. 1).

У стані спокою всередині клітини багато аніонів органічних кислот та іонів К+, концентрація яких у 30 разів більша, ніж зовні; іонів Na+, навпаки, зовні клітини у 10 разів більше, ніж усередині; СI - також більше зовні.

У спокої мембрана нервових клітин найбільш проникна К+, менш — для СI- і дуже мало проникна Na+/ Проникність мембрани нервового волокна для Na+ B спокої у 100 разів менше, ніж K+. Для багатьох аніонів органічних кислот мембрана у спокої зовсім непроникна.

Рис. 1. Вимірювання потенціалу спокою м'язового волокна (А) за допомогою внутрішньоклітинного мікроелектроду: М - мікрозлектрод; І – індиферентний електрод. Промінь на екрані осцилографа (В) показує, що до проколу мембрани мікроелектродом різниця потенціалів між М та І дорівнювала нулю. У момент проколу (показаний стрілкою) виявлено різницю потенціалів, що вказує на те, що внутрішня сторона мембрани заряджена негативно по відношенню до її зовнішньої поверхні (за Б.І. Ходоровим)

Таблиця. Внутрішньо- та позаклітинні концентрації іонів м'язової клітини теплокровної тварини, ммоль/л (за Дж. Дудел)

	Внутрішньоклітинна концентрація	Позаклітинна концентрація
А-(аніони органічних сполук)

З градієнта концентрацій К+ виходить на зовнішню поверхню клітини, виносячи свій позитивний заряд. Високомолекулярні аніони не можуть йти за К+ через непроникність для них мембрани. Іон Na+ також не може відшкодувати іони калію, що пішли, бо проникність мембрани для нього значно менша. СI-за градієнтом концентрацій може перемішуватися тільки всередину клітини, збільшуючи тим самим негативний заряд внутрішньої поверхні мембрани. Внаслідок такого переміщення іонів виникає поляризація мембрани, коли її зовнішня поверхня заряджається позитивно, а внутрішня — негативно.

Електричне поле, яке створиться на мембрані, активно втручається у розподіл іонів між внутрішнім та зовнішнім вмістом клітини. У міру зростання позитивного заряду на зовнішній поверхні клітини іону К+ як позитивно зарядженому стає все важче переміщатися зсередини назовні. Він рухається наче в гору. Чим більша величина позитивного заряду на зовнішній поверхні, тим менше іонів К+ може виходити на поверхню клітини. При певній величині потенціалу на мембрані кількість іонів К+, що перетинають мембрану в тому та іншому напрямку, виявляється рівним, тобто. концентраційний градієнт калію врівноважується наявним на мембрані потенціалом. Потенціал, при якому дифузійний потік іонів стає рівним потоку однойменних іонів, що йдуть у зворотному напрямку, називають потенціалом рівноваги даного іона. Для іонів К+ потенціал рівноваги дорівнює -90 мВ. У мієлінізованих нервових волокнах величина потенціалу рівноваги для іонів СI близька до значення мембранного потенціалу спокою (-70 мВ). Тому, незважаючи на те, що концентрація іонів СІ-зовні волокна більша, ніж усередині його, не відзначається їх одностороннього струму відповідно до градієнта концентрацій. У цьому випадку різниця концентрацій збалансована потенціалом, наявним на мембрані.

Іон Na+ за градієнтом концентрацій повинен був входити всередину клітини (його потенціал рівноваги становить +60 мВ), і наявність негативного заряду всередині клітини не повинно було б перешкоджати цьому потоку. В цьому випадку вхідний Na+ нейтралізував би негативні заряди всередині клітини. Однак цього насправді не відбувається, тому що мембрана у спокої малопроникна для Na +.

Найважливішим механізмом, який підтримує низьку внутрішньоклітинну концентрацію іонів Na+ та високу концентрацію іонів К+, є натрій-калієвий насос (активний транспорт). Відомо, що в клітинній мембрані є система переносників, кожен з яких зв'язується іонами Na+, що знаходяться всередині клітини, і виводить їх назовні. З зовнішньої сторонипереносник зв'язується з двома іонами К+, що знаходяться поза клітиною, які переносяться в цитоплазму. Енергозабезпечення роботи систем переносників забезпечується АТФ. Функціонування насоса за такою системою призводить до таких результатів:

• підтримується висока концентраціяіонів К+ усередині клітини, що забезпечує сталість величини потенціалу спокою. Внаслідок того, що за один цикл обміну іонів з клітини виводиться на один позитивний іон більше, ніж вводиться, активний транспорт відіграє роль у створенні потенціалу спокою. У цьому випадку говорять про електрогенний насос, оскільки він сам створює невеликий, але постійний струм. позитивних зарядівз клітини, а тому робить прямий внесок у формування негативного потенціалу всередині неї. Однак величина вкладу електрогенного насоса в загальне значенняпотенціалу спокою зазвичай невелика і становить кілька мілівольт;
• підтримується низька концентрація іонів Na + усередині клітини, що, з одного боку, забезпечує роботу механізму генерації потенціалу дії, з іншого – забезпечує збереження нормальних осмолярності та об'єму клітини;
• підтримуючи стабільний концентраційний градієнт Na+, натрій-калієвий насос сприяє сполученому К+, Na+-транспорту амінокислот і Сахаров через клітинну мембрану.

Таким чином, виникнення трансмембранної різниці потенціалів (потенціалу спокою) обумовлено високою провідністю клітинної мембрани в стані спокою для іонів К+, СІ-, іонною асиметрією концентрацій іонів К+ та іонів СІ-, роботою систем активного транспорту (Na+/K+-АТФаза), які створюють та підтримують іонну асиметрію.

Потенціал дії нервового волокна, нервовий імпульс

Потенціал дії -це короткочасне коливання різниці потенціалів мембрани збудливої ​​клітини, що супроводжується зміною її знаку заряду.

Потенціал дії є основною специфічною ознакою збудження. Його реєстрація свідчить, що клітина чи її структури відповіли на вплив збудженням. Проте, як зазначалося, ПД у деяких клітинах може виникати спонтанно (самовільно). Такі клітини містяться у водіях ритму серця, стінках судин, нервовій системі. ПД використовується як носій інформації, що передає її у вигляді електричних сигналів (електрична сигналізації) по аферентних та еферентних нервових волокнах, що проводить системі серця, а також для ініціювання скорочення м'язових клітин.

Розглянемо причини і механізм генерації ПД в аферентних нервових волокнах, що утворюють сенсорні рецептори, що первинно сприймають. Безпосередньою причиною виникнення (генерації) ПД у них є рецепторний потенціал.

Якщо вимірювати різницю потенціалів на мембрані найближчого до нервового закінчення перехоплення Ранв'є, то в проміжках між впливами на капсулу тільця Пачіні вона залишається незмінною (70 мВ), а під час дії деполяризується майже одночасно з деполяризацією рецепторної мембрани нервового закінчення.

При збільшенні сили тиску на тільці Пачіні, що викликає зростання рецепторного потенціалу до 10 мВ, у найближчому перехопленні Ранв'є зазвичай реєструється швидке коливання мембранного потенціалу, що супроводжується перезарядкою мембрани - потенціал дії (ПД) або нервовий імпульс (рис. 2). Якщо сила тиску на тільце зросте ще більше, амплітуда рецепторного потенціалу збільшується і в нервовому закінченні генерується ряд потенціалів дії з певною частотою.

Рис. 2. Схематичне представлення механізму перетворення рецепторного потенціалу на потенціал дії (нервовий імпульс) та поширення імпульсу по нервовому волокну

Суть механізму генерації ПД полягає в тому, що рецепторний потенціал викликає виникнення локальних кругових струмів між деполяризованою рецепторною мембраною немієлінізованої частини нервового закінчення та мембраною першого перехоплення Ранв'є. Ці струми, носіями яких є іони Na+, К+, СI- та інші мінеральні іони, «протікають» як уздовж, а й упоперек мембрани нервового волокна у сфері перехоплення Ранвье. У мембрані перехоплень Ранв'є на відміну від рецепторної мембрани самого нервового закінчення є велика щільністьіонних потенціалзалежних натрієвих та калієвих каналів.

При досягненні на мембрані перехоплення Ранв'є величини деполяризації близько 10 мВ відбувається відкриття швидких потенціалзалежних натрієвих каналів і через них в аксоплазму електрохімічним градієнтом спрямовується потік іонів Na +. Він зумовлює швидку деполяризацію та перезарядку мембрани перехоплення Ранв'є. Однак одночасно з відкриттям швидких потенціалзалежних натрієвих каналів у мембрані перехоплення Ранв'є відкриваються повільні потенціалзалежні калієві канали і з аксоілазми починають виходити іони К+ Їх вихід запізнюється по відношенню до входу іонів Na+. Таким чином, іони Na+, що входять з великою швидкістю в аксоплазму, швидко деполяризують і перезаряджають на короткий час (0,3-0,5 мс) мембрану, а вихідні іони К+ відновлюють вихідний розподіл зарядів на мембрані (реполяризують мембрану). В результаті під час механічного впливу на тільце Пачіні силою, що дорівнює або перевищує порогову, на мембрані найближчого перехоплення Ранв'є спостерігається короткочасне коливання потенціалу у вигляді швидкої деполяризації та реполяризації мембрани, тобто. генерується ПД (нервовий імпульс).

Оскільки безпосередньою причиною генерації ПД є рецепторний потенціал, його в цьому випадку ще називають генераторним потенціалом. Число генерованих в одиницю часу однакових за амплітудою та тривалістю нервових імпульсів пропорційно амплітуді рецепторного потенціалу, а отже, силі тиску на рецептор. Процес перетворення інформації про силу впливу, закладеної в амплітуді рецепторного потенціалу, до дискретних нервових імпульсів отримав назву дискретного кодування інформації.

Більш детально іонні механізми та часова динаміка процесів генерації ПД вивчені в експериментальних умовах при штучному впливі на нервове волокно електричним струмом різної силита тривалості.

Природа потенціалу дії нервового волокна (нервового імпульсу)

Мембрана нервового волокна в точці локалізації подразнюючого електрода відповідає на вплив дуже слабкого струму, що ще не досяг порогового значення. Ця відповідь отримала назву локального, а коливання різниці потенціалів на мембрані – локального потенціалу.

Локальна відповідь на мембрані збудливої ​​клітини може передувати виникненню потенціалу дії або виникати як самостійний процес. Він є короткочасне коливання (деполяризація і реполяризація) потенціалу спокою, що не супроводжується перезарядкою мембрани. Деполяризація мембрани при розвитку локального потенціалу обумовлена ​​випереджаючим входом в аксоплазму іонів Na +, а реполяризація - виходом, що запізнюється, з аксоплазми іонів К +.

Якщо впливати на мембрану електричним струмом зростаючої сили, то при цій величині, званій пороговій, деполяризація мембрани може досягти критичного рівня - Е до, при якому відбувається відкриття швидких потенціалзалежних натрієвих каналів. В результаті через них відбувається лавиноподібно наростаючий надходження в клітину іонів Na +. Процес деполяризації, що викликається, набуває самоприскорювального характеру, і локальний потенціал переростає в потенціал дії.

Вже згадувалося, що характерною ознакою ПД є короткочасна інверсія знака заряду на мембрані. Зовні вона на короткий час (0,3-2 мс) стає зарядженою негативно, а всередині – позитивно. Розмір інверсії може становити до 30 мВ, а величина всього потенціалу дії - 60-130 мВ (рис. 3).

Таблиця. Порівняльна характеристикалокального потенціалу та потенціалу дії

Характеристика	Локальний потенціал	Потенціал дії
Провідність	Поширюється місцево, на 1-2 мм із загасанням (декрементом)	Поширюється без загасання великі відстані по всій довжині нервового волокна
Закон «сили»	Підкоряється	Не підкоряється
Закон «все чи нічого»	Не підкоряється	Підкоряється
Явище сумації	Підсумовується, зростає при повторних частих подпорогових подразненнях	Не підсумовується
Величина амплітуди
Здатність до збудливості	Збільшується	Зменшується аж до повної незбудливості (рефрактерність)
Величина подразника	Підпорогова	Порогова та надпорогова

Потенціал дії залежно від характеру зміни зарядів на внутрішній поверхні мембрани поділяють на фази деполяризації, реполяризації та гіперполяризації мембрани. Деполяризацієюназивають всю висхідну частину ПД, де виділяють ділянки, відповідні локальному потенціалу (від рівня Е 0до Є до), швидкої деполяризації (від рівня Є додо рівня 0 мВ), інверсіїзнак заряду (від 0 мВ до пікового значення або початку реполяризації). Реполяризацієюназивають низхідну частину ПД, що відбиває процес відновлення вихідної поляризації мембрани. Спочатку реполяризація здійснюється швидко, але наближаючись до рівня Е 0, швидкість се може сповільнюватися і цю ділянку називають слідовою негативністю(або слідовим негативним потенціалом). У деяких клітин за реполяризацією розвивається гиперполяризация (зростання поляризації мембрани). Її називають слідовим позитивним потенціалом.

Початкову високоамплітудну швидкоплинну частину ПД називають також пік,або спайк.Він включає фази деполяризації та швидкої реполяризації.

У механізмі розвитку ПД найважливіша рольналежить потенціалзалежним іонним каналам та неодночасному збільшенню проникності клітинної мембрани для іонів Na+ та К+. Так, при дії на клітину електричного струму він викликає деполяризацію мембрани і, коли заряд мембрани зменшується до критичного рівня (ЕК), відкриваються потенціалзалежні натрієві канали. Як уже згадувалося, ці канали утворені вбудованими в мембрану білковими молекулами, всередині яких є пора і два воротні механізми. Один з воротних механізмів - активаційний забезпечує (за участю сегмента 4) відкриття (активацію) каналу при деполяризації мембрани, а другий (за участю внутрішньоклітинної петлі між 3-м та 4-м доменами) - його інактивацію, що розвивається при перезарядці мембрани (рис. 4). Оскільки обидва ці механізми швидко змінюють положення воріт каналу, потенціалзалежні натрієві канали є швидкими іонними каналами. Ця обставина має визначальне значення для генерації ПД в збудливих тканинах і для його проведення мембран нервових і м'язових волокон.

Рис. 3. Потенціал дії, його фази та іонні струми (а, про). Опис у тексті

Рис. 4. Положення воріт та стан активності потенціалзалежних натрієвого та калієвого каналів при різних рівнях поляризації мембрани

Щоб потенціалзалежний натрієвий канал міг пропускати всередину клітини іони Na+, необхідно відкрити лише активаційні ворота, оскільки інактиваційні в умовах спокою відкриті. Це і відбувається, коли деполяризація мембрани досягає рівня Є до(Рис. 3, 4).

Відкриття активаційних воріт натрієвих каналів призводить до лавиноподібного входження натрію всередину клітини, що рухається дією сил його електрохімічного градієнта. Оскільки іони Na+ несуть позитивний заряд, всі вони нейтралізують надлишок негативних зарядів на внутрішній поверхні мембрани, знижують різницю потенціалів на мембрані і деполяризують її. Незабаром іони Na+ надають внутрішній поверхні мембрани надлишок позитивних зарядів, що супроводжується інверсією (зміною) знаку заряду з негативного на позитивний.

Однак натрієві канали залишаються відкритими лише близько 0,5 мс і через цей проміжок часу від початку

ПД закриваються інактиваційні ворота, натрієві канали стають інактивованими і непроникними для іонів Na+, надходження яких внутрішньо клітини різко обмежується.

З моменту деполяризації мембрани до рівня Є доспостерігаються також активація калієвих каналів та відкриття їх воріт для іонів К+. Іони К+ під дією сил концентраційного градієнта виходять із клітини, виносячи з неї позитивні заряди. Однак воротний механізм калієвих каналів є повільно функціонуючим і швидкість виходу позитивних зарядів з іонами К з клітини назовні запізнюється по відношенню до входу іонів Na +. Потік іонів К+, видаляючи з клітини надлишок позитивних зарядів, зумовлює відновлення на мембрані вихідного розподілу зарядів або її реполяризацію, і на внутрішній стороні через мить від моменту перезарядки відновлюється негативний заряд.

Виникнення ПД на збудливих мембранах та подальше відновлення вихідного потенціалу спокою на мембрані виявляються можливими тому, що динаміка входу в клітину та виходу з клітини позитивних зарядів іонів Na+ та К+ різна. Вхід іона Na+ за часом випереджає вихід іона К+. Якби ці процеси були рівноважними, то різниця потенціалів на мембрані не змінювалася б. Розвиток здатності до збудження та генерації ПД збудливими м'язовими та нервовими клітинами було обумовлено формуванням у їхній мембрані двох типів різношвидкісних іонних каналів — швидких натрієвих та повільних калієвих.

Для генерації одиночного ПД потрібно надходження в клітину відносно не великої кількостііонів Na+, яке не порушує його розподілу поза та всередині клітини. При генерації великої кількості ПД розподіл іонів з обох боків мембрани клітини міг би порушитися. Однак у нормальних умовахце запобігає роботі Na +, К + -насоса.

У природних умовах у нейронах ЦНС потенціал дії первинно виникає у сфері аксонного горбка, в аферентних нейронах — у найближчому сенсорному рецептору перехопленні Ранвье нервового закінчення, тобто. у тих ділянках мембрани, де є швидкі селективні потенціалзалежні натрієві канали та повільні калієві канали. В інших типах клітин (наприклад, пейсмекерних, гладких міоцитах) у виникненні ПД грають роль не тільки натрієві та калієві, а й кальцієві канали.

Механізми сприйняття і перетворення в ПД сигналів у сенсорних рецепторах, що вторинно відчувають, відрізняються від механізмів, розібраних для первинно відчувають рецепторів. У цих рецепторах сприйняття сигналів здійснюється спеціалізованими нейросенсорними (фоторецепторні, нюхові) або сенсоепітеліальними (смакові, слухові, вестибулярні) клітинами. У кожній із цих чутливих клітин є свій, особливий механізм сприйняття сигналів. Однак у всіх клітинах енергія сприймається сигналу (подразника) перетворюється на коливання різниці потенціалів плазматичної мембрани, тобто. у рецепторний потенціал.

Таким чином, ключовим моментом механізмів перетворення сенсорними клітинами сприймаються сигналів в рецепторний потенціал є зміна проникності іонних каналів у відповідь на вплив. Відкриття Na+, Са 2+ , К+ -іонних каналів при сприйнятті та перетворенні сигналу досягається у цих клітинах за участю G-білків, других внутрішньоклітинних посередників, зв'язуванні з лігандами, фосфорилуванні іонних каналів. Як правило, рецепторний потенціал, що виник у сенсорних клітинах, викликає вивільнення з них у синаптичну щілину нейромедіатора, який забезпечує передачу сигналу на постсинаптичну мембрану аферентного нервового закінчення і генерацію на його мембрані нервового імпульсу. Ці процеси докладно описані у розділі, присвяченій сенсорним системам.

Потенціал дії може бути охарактеризований амплітудою та тривалістю, які для одного і того ж нервового волокна залишаються однаковими при поширенні ПД по волокну. Тому потенціал дії називають дискретним потенціалом.

Між характером впливу на сенсорні рецептори та числом ПД, що виникли в аферентному нервовому волокніу відповідь на вплив є певний зв'язок. Вона полягає в тому, що на великі але силі чи тривалості впливу в нервовому волокні формується більша кількістьнервових імпульсів, тобто. при посиленні впливу нервову системупосилатимуться від рецептора імпульси більшої частоти. Процеси перетворення інформації про характер впливу на частоту та інші параметри нервових імпульсів, що передаються ЦНС, отримали назву дискретного кодування інформації.