Мембранный потенциал покоя и действия. ☵ Потенциал действия нейрона: общая информация Величина мембранного потенциала в разных клетках

Лекция 2 . Общая физиология возбудимых тканей. Потенциал покоя. Потенциал действия .

۩ Сущность процесса возбуждения . Сущность процесса возбуждения можно сформулировать следующим образом. Все клетки организма имеют электрический заряд, который создается неодинаковой концентрацией анионов и катионов внутри и вне клетки. Различная концентрация анионов и катионов внутри и вне клетки является следствием неодинаковой проницаемости клеточной мембраны для различных ионов и работы ионных насосов. Процесс возбуждения начинается с действия на возбудимую клетку раздражителя. Сначала очень быстро повышается проницаемость её мембраны для ионов натрия и быстро возвращается к норме, затем – для ионов калия и также быстро, но с некоторым отставанием возвращается к норме. Вследствие этого ионы перемещаются в клетку и из клетки согласно электрохимическому градиенту – это и есть процесс возбуждения. Возбуждение возможно только в том случае, если клетка постоянно поддерживает потенциал покоя (мембранный потенциал) и при её раздражении быстро изменяется проницаемость клеточной мембраны.

۩ Потенциал покоя . Потенциал покоя (ПП) – это разность электрических потенциалов между внутренней и наружной средами клетки в состоянии её покоя. При этом внутри клетки регистрируется отрицательный заряд. Величина ПП в различных клетках различна. Так, в волокнах скелетной мышцы регистрируется ПП равный 60-90 мВ, в нейронах – 50-80 мВ, в гладких мышцах – 30-70 мВ, в сердечной мышце – 80-90 мВ. Органеллы клеток имеют свои вариабельные мембранные потенциалы.

Непосредственной причиной существования потенциала покоя является неодинаковая концентрация анионов и катионов внутри и вне клетки (смотри таб.1!).

Таблица 1. Внутри- и внеклеточные концентрации ионов в мышечных клетках.

Неравномерное расположение ионов внутри и вне клетки является следствием неодинаковой проницаемости клеточной мембраны для различных ионов и работы ионных насосов, транспортирующих ионы в клетку и из клетки вопреки электрохимическому градиенту. Проницаемость – это её способность пропускать воду, незаряженные и заряженные частицы согласно законам диффузии и фильтрации. Она определяется:

Размерами каналов и размерами частиц;

Растворимостью частиц в мембране (клеточная мембрана проницаема для растворимых в ней липидов и непроницаема для пептидов).

Проводимость – это способность заряженных частиц проходить через клеточную мембрану согласно электрохимическому градиенту.

Различная проницаемость различных ионов играет важную роль в формировании ПП:

Калий является основным ионом, обеспечивающим формирование ПП, так как его проницаемость в 100 раз выше, чем проницаемость для натрия. При уменьшении концентрации калия в клетке ПП уменьшается, а при увеличении – увеличивается. Он может входить и выходить из клетки. В покое количество входящих ионов калия и выходящих его ионов уравновешивается и устанавливается так называемый калиевый равновесный потенциал, который рассчитывается по уравнению Нернста. Механизм его таков: так как электрический и конценрационный градиенты противодействуют друг другу, то калий стремится выйти наружу по концентрационному градиенту, а отрицательный заряд внутри клетки и положительный вне клетки препятствует этому. Тогда количество входящих ионов становится равным количеству выходящих ионов.

Натрий входит в клетку. Его проницаемость мала по сравнению с проницаемостью калия, поэтому его вклад в формирование ПП невелик.

Хлор входит в клетку в незначительном количестве, так как проницаемость мембраны для него невелика, причем он уравновешивается количеством ионов натрия (противоположные заряды притягиваются). Следовательно, его вклад в формирование ПП невелик.

Органические анионы (глютамат, аспартат, органические фосфаты, сульфаты) вообще не могут выйти из клетки, так как они имеют большие размеры. Поэтому за счет них внутри клетки формируется отрицательный заряд.

Роль ионов кальция в формировании ПП заключается в том, что они взаимодействуют с наружными отрицательными зарядами мембраны клетки и отрицательными карбоксильными группами интерстиция, нейтрализуя их, что ведет к стабилизации ПП.

Кроме выше перечисленных ионов, в формировании ПП играют важную роль и поверхностные заряды мембраны (в основном отрицательные). Их формируют гликопротеиды, гликолипиды и фосфолипиды: фиксированные наружные отрицательные заряды, нейтрализуя положительные заряды внешней поверхности мембраны, уменьшают ПП, а фиксированные внутренние отрицательные заряды мембраны, напротив, увеличивают ПП, суммируясь с анионами внутри клетки. Таким образом, потенциал покоя - это алгебраическая сумма всех положительных и отрицательных зарядов ионов вне и внутри клетки и поверхностных зарядов клеточной мембраны .

Роль ионных насосов в формировании ПП . Ионный насос – это молекула белка, которая обеспечивает перенос иона с непосредственной затратой энергии вопреки электрическому и концентрационному градиентам. В результате сопряженного транспорта натрия и калия поддерживается постоянная разность концентраций этих ионов внутри и вне клетки. Одна молекула АТФ обеспечивает один цикл работы Na/K-насоса – перенос трех ионов натрия за пределы клетки и двух ионов калия внутрь клетки. Таким образом, увеличивается ПП. Нормальная величина потенциала покоя является необходимым условием для формирования потенциала действия, то есть для формирования процесса возбуждения.

۩Потенциал действия . Потенциал действия – это электрофизиологический процесс, который выражается в быстром колебании мембранного потенциала вследствие изменения проницаемости мембраны и диффузии ионов в клетку и из клетки. Роль ПД заключается в обеспечении передачи сигналов между нервными клетками, нервными центрами и рабочими органами, в мышцах ПД обеспечивает процесс электромеханического сопряжения. ПД подчиняется закону «всё или ничего». Если сила раздражения мала, то возникает локальный потенциал, который не распространяется.

Потенциал действия состоит из трех фаз: деполяризации, то есть исчезновения ПП; инверсии – изменения знака заряда клетки на обратный; реполяризации – восстановление исходного МП.

Механизм возникновения потенциала действия .

Фаза деполяризации . При действии раздражителя на клетку начальная частичная деполяризация клеточной мембраны происходит без изменения ее проницаемости для ионов. Когда деполяризация достигает примерно 50% пороговой величины, возрастает проницаемость мембраны для Na + , причем в первый момент сравнительно медленно. В этот период движущей силой, обеспечивающей движение Na + в клетку, являются концентрационный и электрический градиенты. Вспомним, что клетка внутри заряжена отрицательно (разноименные заряды притягиваются), а концентрация Na + вне клетки в 12 раз больше, чем внутри клетки. Условием, обеспечивающим дальнейший вход Na + в клетку, является увеличение проницаемости клеточной мембраны, который определяется состоянием воротного механизма натриевых каналов. Воротный механизм натриевых каналов расположен на внешней и внутренней стороне клеточной мембраны, воротный механизм калиевых каналов – только на внутренней стороне мембраны. В каналах для натрия имеются активационные m-ворота, которые расположены с внешней стороны клеточной мембраны, и инактивационные h-ворота, расположенные с внутренней стороны мембраны. В условиях покоя активационные m-ворота закрыты, инактивационные h-ворота открыты. Калиевые активационные ворота закрыты, а инактивационных калиевых ворот нет. Когда деполяризация клетки достигает критической величины, которая обычно составляет 50 мВ, проницаемость мембраны для Na + резко возрастает, так как открывается большое количество потенциалзависимых m-ворот натриевых каналов и ионы натрия лавиной устремляются в клетку. Развивающаяся деполяризация клеточной мембраны вызывает дополнительное увеличение ее проницаемости и, соответственно, проводимости натрия: открываются все новые и новые активационные m-ворота. В итоге ПП исчезает, то есть становится равным нулю. Фаза деполяризации на этом заканчивается. Ее длительность составляет примерно 0,2-0,5 мс.

Фаза инверсии . Процесс перезарядки мембраны представляет собой вторую фазу ПД – фазу инверсии. Фаза инверсии делится на восходящую и нисходящую составляющие. Восходящая часть . После исчезновения ПП вход в клетку ионов натрия продолжается, так как натриевые активационные m-ворота еще открыты. В результате заряд внутри клетки становится положительным, а снаружи-отрицательным. В течение доли миллисекунды ионы натрия еще продолжают входить в клетку. Таким образом, вся восходящая часть пика ПД обеспечивается в основном входом Na + в клетку. Нисходящая составляющая фазы инверсии . Примерно через 0,2-0,5 мс после начала деполяризации рост ПД прекращается в результате закрытия натриевых инактивационных h-ворот и открытия калиевых активационных ворот. Поскольку калий находится преимущественно внутри клетки, он, согласно концентрационному градиенту, начинает быстро выходить из нее, вследствие чего уменьшается число положительно заряженных ионов в клетке. Заряд клетки снова начинает уменьшаться. Во время нисходящей составляющей фазы инверсии выходу ионов калия из клетки способствует также и электрический градиент. К + выталкивается положительным зарядом из клетки и притягивается отрицательным зарядом снаружи клетки. Так продолжается до полного исчезновения положительного заряда внутри клетки. Калий выходит из клетки не только по управляемым каналам, но и по неуправляемым каналам – каналам утечки. Амплитуда ПД складывается из величины ПП и величины фазы инверсии, составляющей у разных клеток 10-50 мВ.

Фаза реполяризации . Пока активационные калиевые каналы открыты, K + еще продолжает выходить из клетки, согласно химическому градиенту. Заряд внутри клетки становится отрицательным, а снаружи – положительным, следовательно, электрический градиент резко тормозит выход ионов калия из клетки. Но так как сила химического градиента больше силы электрического градиента, ионы калия продолжают очень медленно выходить из клетки. Затем активационные калиевые ворота закрываются, остается только выход ионов калия по каналам утечки, то есть по концентрационному градиенту через неуправляемые каналы.

Таким образом, ПД вызывается циклическим процессом поступления ионов натрия в клетку и последующего выхода калия из нее. Роль Са 2+ в возникновении ПД в нервных клетках незначительна. Однако Са 2+ играет очень важную роль в возникновении ПД сердечной мышцы, в передаче импульсов от одного нейрона к другому, от нервного волокна к мышечному, в обеспечении мышечного сокращения.

Вслед за ПД возникают следовые явления (характерные для нейронов) – сначала следовая гиперполяризация, а затем следовая деполяризация. Следовая гиперполяризация клеточной мембраны обычно является следствием еще сохраняющейся повышенной проницаемости мембраны для ионов калия. Следовая деполяризация связана с кратковременным повышением проницаемости мембраны для Na + и входом его в клетку согласно химическому и электрическому градиентам.

Кроме этого существуют: а) так называемая фаза абсолютной рефрактерности , или полная невозбудимость клетки. Она приходится на пик ПД и продолжатся 1-2 мс; и б) фаза относительной рефрактерности – период частичного восстановления клетки, когда сильное раздражение может вызвать новое возбуждение. Относительная рефрактерность соответствует конечной части фазы реполяризации и следовой гиперполяризации клеточной мембраны. В нейронах вслед за гиперполяризацией возможна частичная деполяризация клеточной мембраны. В этот период очередной потенциал действия можно вызвать более слабым раздражением, так как МП несколько меньше обычного. Этот период называется фазой экзальтации (период повышенной возбудимости).

Скорость протекания фазовых изменений возбудимости клетки определяет ее лабильность. Лабильность , или функциональная подвижность, - это скорость протекания одного цикла возбуждения. Мерой лабильности возбудимого образования является максимальное число ПД, которое он может воспроизвести в 1 секунду. Обычно возбуждение продолжается менее 1 мс и подобно взрыву. Такой «взрыв» протекает мощно, но быстро завершается.

Мышцы, отличияДокумент

... . Возбудимость ткани и ее мера. Законы раздражения возбудимых тканей : силы, времени действия раздражителя... потенциал покоя (МПП); 2) мембранный потенциал действия (МПД); 3) потенциал градиента основного обмена (метаболический потенциал ). Потенциал ...

Все живые клетки обладают способностью под влиянием раздражителей переходить из состояния физиологического покоя в состояние активности или возбуждения.

Возбуждение - это комплекс активных электрических, химических и функциональных изменений в возбудимых тканях (нервной, мышечной или железистой), которыми ткань отвечает на внешнее воздействие. Важную роль при возбуждении играют электрические процессы, обеспечивающие проведение возбуждения по нервным волокнам и приводящие ткани в активное (рабочее) состояние.

Мембранный потенциал

Живые клетки обладают важным свойством: внутренняя поверхность клетки всегда заряжена отрицательно по отношению к внешней ее стороне. Между внешней поверхностью клетки, заряженной электроположительно по отношению к протоплазме, и внутренней стороной клеточной мембраны существует разность потенциалов, которая колеблется в пределах 60-70 мВ. По данным П. Г. Ко- стюка (2001), у нервной клетки эта разность колеблется в пределах от 30 до 70 мВ. Разность потенциалов между внешней и внутренней сторонами мембраны клетки называют мембранным потенциалом, или потенциалом покоя (рис. 2.1).

Мембранный потенциал покоя присутствует на мембране до тех пор, пока клетка жива, и исчезает с гибелью клетки. Л. Гальвани еще в 1794 г. показал, что если повредить нерв или мышцу, сделав поперечное сечение и приложив к поврежденной части и к месту повреждения электроды, соединенные с гальванометром, то гальванометр покажет ток, который течет всегда от неповрежденной части ткани к месту разреза. Это течение он назвал током покоя. По своей физиологической сути ток покоя и мембранный потенциал покоя - одно и то же. Измеренная в данном опыте разность потенциалов составляет 30-50 мВ, поскольку при повреждении ткани часть тока шунтируется в межклеточном пространстве и окружающей исследуемую структуру жидкости. Разность потенциалов можно рассчитать по формуле Нернста:

где R - газовая постоянная, Т - абсолютная температура, F - число Фарадея, [К] вн. и [К] нар. - концентрация калия внутри и снаружи клетки.

Рис. 2.1.

Причина возникновения потенциала покоя общая для всех клеток. Между протоплазмой клетки и внеклеточной средой существует неравномерное распределение ионов (ионная асимметрия). Состав крови человека по солевому балансу напоминает состав океанской воды. Внеклеточная среда в центральной нервной системе также содержит много хлорида натрия. Ионный состав цитоплазмы клеток беднее. Внутри клеток в 8-10 раз меньше ионов Na + и в 50 раз меньше ионовС!". Основным катионом цитоплазмы является К + . Его концентрация внутри клетки в 30 раз выше, чем во внеклеточной среде, и приблизительно равняется внеклеточной концентрации Na Основными противоионами для К + в цитоплазме являются органические анионы, в частности анионы аспарагиновой, гистаминовой и других аминокислот. Такая асимметрия - это нарушение термодинамического равновесия. Для того чтобы восстановить его, ионы калия должны постепенно покидать клетку, а ионы натрия - стремиться в нее. Однако этого не происходит.

Первым препятствием для выравнивания разности концентраций ионов является плазматическая мембрана клетки. Она состоит из двойного слоя молекул фосфолипидов, покрытых изнутри слоем белковых молекул, а снаружи - слоем углеводов (мукополисахари- дов). Некоторая часть клеточных белков встроена непосредственно в двойной липидный слой. Это внутренние белки.

Мембранные белки всех клеток делят на пять классов: насосы, каналы, рецепторы, ферменты и структурные белки. Насосы служат для перемещения ионов и молекул против градиентов концентрации, используя для этого метаболическую энергию. Белковые каналы, или поры, обеспечивают избирательную проницаемость (диффузию) через мембрану соответствующих им по размеру ионов и молекул. Рецепторные белки, обладающие высокой специфичностью, распознают и связывают, прикрепляя к мембране, многие типы молекул, необходимых для жизнедеятельности клетки в каждый определенный момент времени. Ферменты ускоряют течение химических реакций у поверхности мембраны. Структурные белки обеспечивают соединение клеток в органы и поддержание субклеточной структуры.

Все эти белки специфичны, но не строго. В определенных условиях тот или иной белок может быть одновременно и насосом, и ферментом, и рецептором. Через каналы мембраны молекулы воды, а также соответствующие размерам пор ионы входят в клетку и выходят из нее. Проницаемость мембраны для различных катионов не одинакова и изменяется при разных функциональных состояниях ткани. В покое мембрана в 25 раз более проницаема для ионов калия, чем для ионов натрия, а при возбуждении натриевая проницаемость примерно в 20 раз превышает калиевую. В состоянии покоя равные концентрации калия в цитоплазме и натрия во внеклеточной среде должны обеспечить и равное количество положительных зарядов по обе стороны мембраны. Но поскольку проницаемость для ионов калия выше в 25 раз, то калий, выходя из клетки, делает ее поверхность все более положительно заряженной по отношению к внутренней стороне мембраны, около которой все более накапливаются слишком крупные для пор мембраны отрицательно заряженные молекулы аспарагиновой, гистаминовой и других аминокислот, «отпустивших» калий за пределы клетки, но «не дающих» ему уйти далеко благодаря своему отрицательному заряду. С внутренней стороны мембраны копятся отрицательные заряды, а с внешней - положительные. Возникает разность потенциалов. Диффузный ток ионов натрия в протоплазму из внеклеточной жидкости удерживает эту разность на уровне 60-70 мВ, не давая ей возрастать. Диффузный ток ионов натрия в покое в 25 раз слабее, чем встречный ток ионов калия. Ионы натрия, проникая внутрь клетки, снижают величину потенциала покоя, позволяя ей удерживаться на определенном уровне. Таким образом, величина потенциала покоя мышечных и нервных клеток, а также нервных волокон определяется соотношением числа положительно заряженных ионов калия, диффундирующих в единицу времени из клетки наружу, и положительно заряженных ионов натрия, диффундирующих через мембрану в противоположном направлении. Чем это соотношение выше, тем больше величина потенциала покоя, и наоборот.

Вторым препятствием, удерживающим разность потенциалов на определенном уровне, является натрий-калиевый насос (рис. 2.2). Он получил название натрий-калиевого или ионного, поскольку осуществляет активное выведение (выкачивание) из протоплазмы проникающих в нее ионов натрия и введение (нагнетание) в нее ионов калия. Источником энергии для работы ионного насоса является расщепление АТФ (аденозинтрифосфата), которое происходит под воздействием фермента аденозинтрифосфатазы, локализованного в мембране клетки и активируемого теми же ионами, т. е. калием и натрием (нагрий-калий-зависимая АТФ-аза).

Рис. 2.2.

Это крупный белок, превышающий по размеру толщину клеточной мембраны. Молекула этого белка, пронизывая мембрану насквозь, связывает с внутренней стороны преимущественно натрий и АТФ, а с наружной - калий и различные ингибиторы типа глико- зидов. При этом возникает мембранный ток. Благодаря этому току обеспечивается соответствующее направление переноса ионов. Перенос ионов происходит в три этапа. Сначала ион соединяется с молекулой переносчика, образуя комплекс ион-переносчик. Затем этот комплекс проходит через мембрану или переносит через нее заряд. В завершении - ион освобождается от переносчика на противоположной стороне мембраны. Одновременно происходит аналогичный процесс, переносящий ионы в противоположном направлении. Если насос осуществляет перенос одного иона натрия на один ион калия, то он просто поддерживает концентрационный градиент по обе стороны мембраны, но не вносит вклада в создание мембранного потенциала. Чтобы внести этот вклад, ионный насос должен переносить натрий и калий в соотношении 3:2, т. е. на 2 иона калия, поступающих в клетку, из клетки он должен выводить 3 иона натрия. Работая с максимальной нагрузкой, каждый насос способен перекачивать через мембрану около 130 ионов калия и 200 ионов натрия в секунду. Это предельная скорость. В реальных условиях работа каждого насоса регулируется в соответствии с потребностями клетки. У большинства нейронов на один квадратный микрон мембранной поверхности приходится от 100 до 200 ионных насосов. Следовательно, мембрана любой нервной клетки содержит 1 миллион ионных насосов, способных перемещать до 200 миллионов ионов натрия в секунду.

Таким образом, мембранный потенциал (потенциал покоя) создается в результате как пассивных, так и активных механизмов. Степень участия тех или иных механизмов в разных клетках неодинакова, из чего следует, что мембранный потенциал может быть неодинаковым в разных структурах. Активность насосов может зависеть от диаметра нервных волокон: чем тоньше волокно, тем отношение размера поверхности к объему цитоплазмы выше, соответственно, и активность насосов, необходимая для поддержания разницы концентраций ионов на поверхности и внутри волокна, должна быть больше. Другими словами, мембранный потенциал может зависеть от структуры нервной ткани, а значит, и от ее функционального назначения. Электрическая поляризация мембраны - главное условие, обеспечивающее возбудимость клетки. Это ее постоянная готовность к действию. Это запас потенциальной энергии клетки, который она может использовать в случае, если нервной системе понадобится ее немедленная реакция.

Потенциал покоя

Мембранный потенциал (или потенциал покоя) – это разность потенциалов между наружной и внутренней поверхностью мембраны в состоянии относительного физиологического покоя. Потенциал покоя возникает в результате двух причин:

1) неодинакового распределения ионов по обе стороны мембраны;

2) избирательной проницаемости мембраны для ионов.

В состоянии покоя мембрана неодинаково проницаема для различных ионов. Клеточная мембрана проницаема для ионов K, малопроницаема для ионов Na и непроницаема для органических веществ.

За счет этих двух факторов создаются условия для движения ионов. Это движение осуществляется без затрат энергии путем пассивного транспорта – диффузией в результате разности концент-рации ионов. Ионы K выходят из клетки и увеличивают положительный заряд на наружной поверхности мембраны, ионы Cl пассивно переходят внутрь клетки, что приводит к увеличению положительного заряда на наружной поверхности клетки. Ионы Na накапливаются на наружной поверхности мембраны и увеличивают ее положительный заряд. Органические соединения остаются внутри клетки. В результате такого движения наружная поверхность мембраны заряжается положительно, а внутренняя – отрицательно. Внутренняя поверхность мембраны может не быть абсолютно отрицательно заряженной, но она всегда заряжена отрицательно по отношению к внешней. Такое состояние клеточной мембраны называется состоянием поляризации. Движение ионов продолжается до тех пор, пока не уравновесится разность потенциалов на мембране, т. е. не наступит электрохимическое равновесие. Момент равновесия зависит от двух сил:

1) силы диффузии;

2) силы электростатического взаимодействия. Значение электрохимического равновесия:

1) поддержание ионной асимметрии;

2) поддержание величины мембранного потенциала на постоянном уровне.

В возникновении мембранного потенциала участвуют сила диффузии (разность концентрации ионов) и сила электростатического взаимодействия, поэтому мембранный потенциал называется концентра-ционно-электрохимическим.

Для поддержания ионной асимметрии электрохимического равновесия недостаточно. В клетке имеется другой механизм – натрий-калиевый насос. Натрий-калиевый насос – механизм обеспечения активного транспорта ионов. В клеточной мембране имеется система переносчиков, каждый из которых связывает три иона Na, которые находятся внутри клетки, и выводит их наружу. С наружной стороны переносчик связывается с двумя ионами K, находящимися вне клетки, и переносит их в цитоплазму. Энергия берется при расщеплении АТФ.

Потенциал действия

Потенциал действия – это сдвиг мембранного потенциала, возникающий в ткани при действии порогового и сверхпорогового раздражителя, что сопровождается перезарядкой клеточной мембраны.

При действии порогового или сверхпорогового раздражителя изменяется проницаемость клеточной мембраны для ионов в различной степени. Для ионов Na она повышается и градиент развивается медленно. В результате движение ионов Na происходит внутрь клетки, ионы К двигаются из клетки, что приводит к перезарядке клеточной мембраны. Наружная поверхность мембраны несет отрицательный заряд, внутренняя – положительный.

Компоненты потенциала действия:

1) локальный ответ;

2) высоковольтный пиковый потенциал (спайк);

3) следовые колебания.

Ионы Na путем простой диффузии поступают в клетку без затрат энергии. Достигнув пороговой силы, мембранный потенциал снижается до критического уровня деполяризации (примерно 50 мВ). Критический уровень деполяризации – это то количество милливольт, на которое должен снизиться мембранный потенциал, чтобы возник лавинообразный ход ионов Na в клетку.

Высоковольтный пиковый потенциал (спайк).

Пик потенциала действия является постоянным компонентом потенциала действия. Он состоит из двух фаз:

1) восходящей части – фазы деполяризации;

2) нисходящей части – фазы реполяризации.

Лавинообразное поступление ионов Na в клетку приводит к изменению потенциала на клеточной мембране. Чем больше ионов Na войдет в клетку, тем в большей степени деполяризуется мембрана, тем больше откроется активационных ворот. Возникновение заряда с противоположным знаком называется инверсией потенциала мембраны. Движение ионов Na внутрь клетки продолжается до момента электрохимического равновесия по иону Na Амплитуда потенциала действия не зависит от силы раздражителя, она зависит от концентрации ионов Na и от степени проницаемости мембраны к ионам Na. Нисходящая фаза (фаза реполяризации) возвращает заряд мембраны к исходному знаку. При достижении электрохимического равновесия по ионам Na происходит инактивация активационных ворот, снижается проницаемость к ионам Na и возрастает проницаемость к ионам K. Полного восстановления мембранного потенциала не происходит.

В процессе восстановительных реакций на клеточной мембране регистрируются следовые потенциалы – положительный и отрицательный.

Между наружной поверхностью клетки и ее цитоплазмой в состоянии покоя существует разность потенциалов около 0,06-0,09 в, причем поверхность клетки заряжена электроположительно по отношению к цитоплазме. Эту разность потенциалов называют потенциалом покоя или мембранным потенциалом. Точное измерение потенциала покоя возможно только с помощью микроэлектродов, предназначенных для внутриклеточного отведения токов, очень мощных усилителей и чувствительных регистрирующих приборов - осциллографов.

Микроэлектрод (рис. 67, 69) представляет собой тонкий стеклянный капилляр, кончик которого имеет диаметр около 1 мкм. Этот капилляр заполняют солевым раствором, погружают в него металлический электрод и соединяют с усилителем и осциллографом (рис. 68). Как только микроэлектрод прокалывает покрывающую клетку мембрану, луч осциллографа отклоняется вниз из своего исходного положения и устанавливается на новом уровне. Это свидетельствует о наличии разности потенциалов между наружной и внутренней поверхностью клеточной мембраны.

Наиболее полно происхождение потенциала покоя объясняет так называемая мембранно-ионная теория. Согласно этой теории все клетки покрыты мембраной, имеющей неодинаковую проницаемость для различных ионов. В связи с этим внутри клетки в цитоплазме в 30-50 раз больше ионов калия, в 8-10 раз меньше ионов натрия и в 50 раз меньше ионов хлора, чем на поверхности. В состоянии покоя клеточная мембрана более проницаема для ионов калия, чем для ионов натрия. Диффузия положительно заряженных ионов калия из цитоплазмы на поверхность клетки придает наружной поверхности мембраны положительный заряд.

Таким образом, поверхность клетки в покое несет на себе положительный заряд, тогда как внутренняя сторона мембраны оказывается заряженной отрицательно за счет ионов хлора, аминокислот и других крупных органических анионов, которые через мембрану практически не проникают (рис. 70).

Потенциал действия

Если участок нервного или мышечного волокна подвергнуть действию достаточно сильного раздражителя, то в этом участке возникает возбуждение, проявляющееся в быстром колебании мембранного потенциала и называемое потенциалом действия .

Потенциал действия можно зарегистрировать либо с помощью электродов, приложенных к внешней поверхности волокна (внеклеточное отведение), либо микроэлектрода, введенного в цитоплазму (внутриклеточное отведение).

При внеклеточном отведении можно обнаружить, что поверхность возбужденного участка на очень короткий период, измеряемый тысячными долями секунды, становится заряженной электроотрицательно по отношению к покоящемуся участку.

Причина возникновения потенциала действия - изменение ионной проницаемости мембраны. При раздражении проницаемость клеточной мембраны для ионов натрия повышается. Ионы натрия стремятся внутрь клетки, так как, во-первых, они заряжены положительно и их влекут внутрь электростатические силы, во-вторых, концентрация их внутри клетки невелика. В покое клеточная мембрана была малопроницаемой для ионов натрия. Раздражение изменило проницаемость мембраны, и поток положительно заряженных ионов натрия из внешней среды клетки в цитоплазму значительно превышает поток ионов калия из клетки наружу. В результате внутренняя поверхность мембраны становится заряженной положительно, а наружная вследствие потери положительно заряженных ионов натрия отрицательно. В этот момент и регистрируется пик потенциала действия.

Повышение проницаемости мембраны для ионов натрия продолжается очень короткое время. Вслед за этим в клетке возникают восстановительные процессы, приводящие к тому, что проницаемость мембраны для ионов натрия вновь понижается, а для ионов калия возрастает. Поскольку ионы калия также заряжены положительно, то, выходя из клетки, они восстанавливают исходные отношения снаружи и внутри клетки.

Накопления ионов натрия внутри клетки при многократном возбуждении ее не происходит потому, что ионы натрия эвакуируются из нее постоянно за счет действия специального биохимического механизма, называемого "натриевым насосом". Есть данные и об активном транспорте ионов калия с помощью "натрий-калиевого насоса".

Таким образом, согласно мембранно-ионной теории в происхождении биоэлектрических явлений решающее значение имеет избирательная проницаемость клеточной мембраны, обусловливающая разный ионный состав на поверхности и внутри клетки, а следовательно, и разный заряд этих поверхностей. Следует заметить, что многие положения мембранно-ионной теории все еще дискуссионны и нуждаются в дальнейшей разработке.

В покое на наружной стороне плазматической мембраны располагается тонкий слой положительных зарядов, а на внутренней стороне – отрицательных. Разность между ними называется мембранным потенциалом покоя. Если считать наружный заряд равным нулю, то разность зарядов между наружной и внутренней поверхностями у большинства нейронов оказывается близкой к -65 мВ, хотя она и может у отдельных клеток варьировать от -40 до -80 мВ.

Возникновение этой разности зарядов обусловлено неодинаковым распределением ионов калия, натрия и хлора внутри клетки и снаружи её, а также большей проницаемостью покоящейся клеточной мембраны лишь для ионов калия.

У возбудимых клеток мембранный потенциал покоя (МПП) способен сильно изменяться и эта способность является основой для возникновения электрических сигналов. Уменьшение мембранного потенциала покоя, например, с -65 до -60 мВ, называется деполяризацией , а увеличение, например, с -65 до -70 мВ, – гиперполяризацией .

Если деполяризация достигнет некоторого критического уровня, например -55 мВ, то проницаемость мембраны для ионов натрия на короткое время становится максимальной, они устремляются в клетку и в связи с этим трансмембранная разность потенциалов стремительно уменьшается до 0, а затем приобретает положительное значение. Это обстоятельство приводит к закрытию натриевых каналов и стремительному выходу из клетки ионов калия через предназначенные только для них каналы: в результате восстанавливается первоначальная величина мембранного потенциала покоя. Эти быстро происходящие изменения мембранного потенциала покоя называются потенциалом действия. Потенциал действия является приводящимся электрическим сигналом, он быстро распространяется по мембране аксона до самого его окончания, причём нигде не меняет свою амплитуду.

Кроме потенциалов действия в нервной клетке, вследствие изменения её мембранной проницаемости, могут возникать местные или локальные сигналы: рецепторный потенциал и постсинаптический потенциал . Их амплитуда значительно меньше, чем у потенциала действия, кроме того, она существенно уменьшается при распространении сигнала. По этой причине местные потенциалы и не могут распространяться по мембране далеко от места своего возникновения.

Работой натрий-калиевого насоса в клетке создаётся высокая концентрация ионов калия, а в клеточной мембране для этих ионов есть открытые каналы. Выходящие из клетки по концентрационному градиенту ионы калия увеличивают количество положительных зарядов на наружной поверхности мембраны. В клетке много крупномолекулярных органических анионов и потому изнутри мембрана оказывается заряженной отрицательно. Все остальные ионы могут проходить через покоящуюся мембрану в очень небольшом количестве, их каналы, в основном, закрыты. Следовательно, потенциал покоя обязан своим происхождением, главным образом, току ионов калия из клетки .

Нейроны вступают в контакты с определёнными клетками-мишенями, причём цитоплазма контактирующих клеток не соединяется и между ними всегда сохраняется синаптическая щель.

Современный вариант нейронной теории связывает определённые части нервной клетки с характером возникающих в них электрических сигналов. В типичном нейроне есть четыре определяемые морфологически области: дендриты, сома, аксон и пресинаптическое окончание аксона. При возбуждении нейрона в нём последовательно появляется четыре разновидности электрических сигналов: входной, объединённый, проводящийся и выходной (рис. 3.3). Каждый из этих сигналов возникает только в определённой морфологической области.

Входными сигналами являются либо рецепторный , либо постсинаптический потенциал . Рецепторный потенциал образуется в окончаниях чувствительного нейрона, когда на них действует определённый стимул: растяжение, давление, свет, химическое вещество и т.п. Действие стимула вызывает открытие определённых ионных каналов мембраны, а последующий ток ионов через эти каналы изменяет первоначальное значение мембранного потенциала покоя; в большинстве случаев происходит деполяризация. Эта деполяризация и является рецепторным потенциалом, её амплитуда пропорциональна силе действующего стимула.

Рецепторный потенциал может распространяться от места действия стимула вдоль мембраны на относительно небольшое расстояние – амплитуда рецепторного потенциала уменьшается по мере удаления от места действия стимула, а затем деполяризующий сдвиг и вовсе исчезнет.

Вторая разновидность входного сигнала – постсинаптический потенциал . Он образуется на постсинаптической клетке после того, как возбуждённая пресинаптическая клетка отправит для неё нейромедиатор. Добравшись путём диффузии до постсинаптической клетки, медиатор присоединяется к специфическим белкам-рецепторам её мембраны, что вызывает открытие ионных каналов. Возникший в связи с этим ток ионов через постсинаптическую мембрану изменяет первоначальное значение мембранного потенциала покоя – этот сдвиг и является постсинаптическим потенциалом.

В одних синапсах такой сдвиг представляет собой деполяризацию и, если она достигнет критического уровня, то постсинаптический нейрон возбуждается. В других синапсах возникает противоположный по направленности сдвиг: постсинаптическая мембрана гиперполяризуется: величина мембранного потенциала становится больше и уменьшить её до критического уровня деполяризации становится труднее. Такую клетку трудно возбудить, она заторможена. Таким образом, деполяризующий постсинаптический потенциал является возбуждающим , а гиперполяризующий – тормозным . Соответственно этому и сами синапсы подразделяются на возбуждающие (вызывающие деполяризацию) и тормозные (вызывающие гиперполяризацию).

Вне зависимости от того, что происходит на постсинаптической мембране: деполяризация или гиперполяризация, величина постсинаптических потенциалов всегда пропорциональна количеству подействовавших молекул медиатора, но обычно их амплитуда невелика. Так же, как и рецепторный потенциал, они распространяются вдоль мембраны на очень небольшое расстояние, т.е. тоже относятся к местным потенциалам.

Таким образом, входные сигналы представлены двумя разновидностями местных потенциалов, рецепторным и постсинаптическим, а возникают эти потенциалы в строго определённых областях нейрона: либо в чувствительных окончаниях, либо в синапсах. Чувствительные окончания принадлежат сенсорным нейронам, где рецепторный потенциал возникает под действием внешних раздражителей. Для интернейронов, а также для эфферентных нейронов входным сигналом может быть только постсинаптический потенциал.

Объединённый сигнал может возникнуть только в таком участке мембраны, где достаточно много ионных каналов для натрия. В этом отношении идеальным объектом является аксонный холмик – место отхождения аксона от тела клетки, поскольку именно здесь самая высокая во всей мембране плотность каналов для натрия. Такие каналы являются потенциалзависимыми, т.е. открываются лишь тогда, когда исходное значение потенциала покоя достигнет критического уровня. Типичное для среднестатистического нейрона значение потенциала покоя составляет приблизительно -65 мВ, а критический уровень деполяризации соответствует примерно -55 мВ. Стало быть, если удастся деполяризовать мембрану аксонного холмика с -65 мВ до -55 мВ, то там возникнет потенциал действия.

Деполяризовать мембрану способны входные сигналы, т.е. либо постсинаптические потенциалы, либо рецепторные. В случае рецепторных потенциалов местом возникновения объединённого сигнала является ближайший к чувствительным окончаниям перехват Ранвье, где наиболее вероятна деполяризация до критического уровня. Каждый чувствительный нейрон имеет множество окончаний, являющихся ветвями одного отростка. И, если в каждом из этих окончаний при действии стимула возникает очень небольшой по амплитуде рецепторный потенциал и распространяется к перехвату Ранвье с уменьшением амплитуды, то он является лишь малой частью общего деполяризующего сдвига. От каждого чувствительного окончания в одно и то же время перемещаются к ближайшему перехвату Ранвье эти небольшие рецепторные потенциалы, а в области перехвата все они суммируются. Если общая сумма деполяризующего сдвига будет достаточной, то в перехвате возникнет потенциал действия.

Постсинаптические потенциалы, возникающие на дендритах, так же невелики, как и рецепторные потенциалы и так же уменьшаются при распространении от синапса до аксонного холмика, где может возникнуть потенциал действия. Кроме того, на пути распространения постсинаптических потенциалов по телу клетки могут оказаться тормозные гиперполяризующие синапсы и потому возможность деполяризации мембраны аксонного холмика на 10 мВ кажется маловероятной. Тем не менее, этот результат регулярно достигается в результате суммации множества небольших постсинаптических потенциалов, возникающих одновременно в многочисленных синапсах, образованных дендритами нейрона с окончаниями аксонов пресинаптических клеток.

Таким образом, объединённый сигнал возникает, как правило, вследствие суммации одновременно образовавшихся многочисленных местных потенциалов. Такая суммация происходит в том месте, где особенно много потенциалзависимых каналов и поэтому легче достигается критический уровень деполяризации. В случае интеграции постсинаптических потенциалов таким местом является аксонный холмик, а суммация рецепторных потенциалов происходит в ближайшем от чувствительных окончаний перехвате Ранвье (или близко расположенным к ним участком немиелинизированного аксона). Область возникновения объединённого сигнала называется интегративной или триггерной.

Накопление небольших деполяризующих сдвигов молниеносно трансформируется в интегративной зоне в потенциал действия, который является максимальным электрическим потенциалом клетки и возникает по принципу "всё или ничего". Это правило надо понимать так, что деполяризация ниже критического уровня не приносит никакого результата, а при достижении этого уровня всегда, независимо от силы стимулов, обнаруживается максимальный ответ: третьего не дано.

Проведение потенциала действия . Амплитуда входных сигналов пропорциональна силе подействовавшего стимула или количеству выделившегося в синапсе нейромедиатора – такие сигналы называют градуальными . Их длительность определяется длительностью стимула или присутствия медиатора в синаптической щели. Амплитуда и длительность потенциала действия от этих факторов не зависят: оба этих параметра всецело определяются свойствами самой клетки. Стало быть, любая комбинация входных сигналов, любой вариант суммации, при единственном условии деполяризации мембраны до критического значения, вызывает один и тот же стандартный образец потенциала действия в триггерной зоне. Он всегда имеет максимальную для данной клетки амплитуду и примерно одинаковую длительность, сколько бы раз ни повторялись вызывающие его условия.

Возникнув в интегративной зоне, потенциал действия быстро распространяется по мембране аксона. Это происходит благодаря появлению локального электрического тока. Поскольку деполяризованный участок мембраны оказывается иначе заряженным, чем соседствующий с ним, между полярно заряженными участками мембраны возникает электрический ток. Под действием этого локального тока деполяризуется до критического уровня соседний участок, что вызывает появление потенциала действия и в нём. В случае миелинизированного аксона таким соседним участком мембраны является ближайший к триггерной зоне перехват Ранвье, затем следующий, и потенциал действия начинает "перепрыгивать" от одного перехвата к другому со скоростью, достигающей 100 м/с.

Разные нейроны могут многим отличаться друг от друга, но возникающие в них потенциалы действия различить очень трудно, чаще невозможно. Это в высшей степени стереотипный сигнал у самых разных клеток: сенсорных, интернейронов, моторных. Эта стереотипия свидетельствует о том, что сам потенциал действия не содержит никаких сведений о природе породившего его стимула. О силе стимула свидетельствует частота возникающих потенциалов действия, а определением природы стимула занимаются специфические рецепторы и хорошо упорядоченные межнейронные связи.

Таким образом, возникший в триггерной зоне потенциал действия быстро распространяется по ходу аксона к его окончанию. Это передвижение связано с образованием локальных электрических токов, под влиянием которых потенциал действия как бы заново возникает в соседнем участке аксона. Параметры потенциала действия при проведении по аксону нисколько не меняются, что позволяет передавать информацию без искажений. Если аксоны нескольких нейронов оказываются в общем пучке волокон, то по каждому из них возбуждение распространяется изолированно.

Выходной сигнал адресуется другой клетке или одновременно нескольким клеткам и в подавляющем большинстве случаев представляет собой выделение химического посредника – медиатора. В пресинаптических окончаниях аксона заранее запасённый медиатор хранится в синаптических пузырьках, которые накапливаются в специальных участках – активных зонах. Когда потенциал действия добирается до пресинаптического окончания, содержимое синаптических пузырьков путём экзоцитоза опорожняется в синаптическую щель.

Химическими посредниками передачи информации могут служить разные вещества: небольшие молекулы, как, например, ацетилхолин или глутамат, либо достаточно крупные молекулы пептидов – все они специально синтезируются в нейроне для передачи сигнала. Попав в синаптическую щель, медиатор диффундирует к постсинаптической мембране и присоединяется к её рецепторам. В результате связи рецепторов с медиатором изменяется ионный ток через каналы постсинаптической мембраны, а это приводит к изменению значения потенциала покоя постсинаптической клетки, т.е. в ней возникает входной сигнал – в данном случае постсинаптический потенциал.

Таким образом, почти в каждом нейроне, независимо от его величины, формы и занимаемой в цепи нейронов позиции, можно обнаружить четыре функциональные области: локальную рецептивную зону, интегративную, зону проведения сигнала и выходную или секреторную зону (рис. 3.3).