Характеристика свойств возбудимых тканей
Всем без исключения живым тканям присуща раздражимость. Раздражимость – это универсальное свойство живых клеток отвечать на действие раздражителей изменениями структуры и функции, которые имеют неспецифический характер, а именно: изменением обмена веществ, теплообразования, роста и размножения клетки. Раздражитель – это фактор внешней (внутренней) среды, который действует достаточно сильно, долго и нарастает с достаточной скоростью. Раздражители классифицируют по нескольким признакам:
1) по модальности, т.е. по характеру энергии, свойственной раздражителю, они подразделяются на химические (кислоты, щелочи), осмотические, тепловые, электрические, световые, звуковые, словесные, биологические (медиаторы, гормоны, микробы);
2) по адекватности, т.е. по соответствию раздражителя воспринимающим раздражение рецепторам, они бывают адекватными и неадекватными. Например, адекватным раздражителем для рецепторов сетчатки глаз является свет, для барорецепторов – изменение давления и т.п. Пороговая сила адекватного раздражителя значительно ниже, чем неадекватного. Неадекватный раздражитель – это такой раздражитель, который действует на рецептор, не приспособленный для его восприятия. Например, возбуждение скелетной мышцы под воздействием не нервного импульса, а механического удара.
В физиологических опытах чаще всего используются электрические раздражители, т.к. они физиологичны, т.е. не повреждают ткань и напоминают нервные импульсы, и легко дозируются по силе, времени, крутизне нарастания (т.е. скорости нарастания силы тока во времени). Поэтому электрический ток принято рассматривать как адекватный раздражитель. Электрические раздражители по силе бывают:
1) подпороговые раздражители – это слабые раздражители, не вызывающие видимой ответной реакции. В ткани возникает электротонический потенциал, а затем к нему присоединяется локальный ответ (местное возбуждение), что зависит от величины подпорогового раздражителя. Первые признаки локального ответа появляются при действии стимула, составляющего 50-75% от пороговой величины. Раздражители меньшей силы вызывают только электротонический потенциал;
2) пороговые раздражители – это минимальной силы раздражители, вызывающие генерацию потенциала действия и минимальный специфический физиологический эффект;
3) надпороговые раздражители – это более сильные раздражители, вызывающие пропорциональное увеличение физиологического эффекта;
4) максимальные раздражители – это раздражители такой силы, при которой физиологический эффект максимален;
5) супермаксимальные раздражители – это раздражители, величина которых больше максимальной, но эффект при этом не увеличивается. В процессе эволюции в трёх тканях – нервной, мышечной и железистой – раздражимость трансформировалась в новую, более совершенную форму реагирования ткани на действие раздражителей, а именно в возбудимость. Поэтому нервную, мышечную и железистую ткани называют возбудимыми.
Возбудимость – это свойство высокоорганизованных (возбудимых) тканей реагировать на действие раздражителя изменением своего электрического состояния и специфическими функциональными проявлениями. В ответ на раздражение в возбудимых тканях возникает процесс возбуждения.
Возбуждение – это процесс генерации потенциала действия, его распространение по возбудимой ткани, приводящее к специализированному ответу. Оно характеризуется также изменением физических, химических, функциональных и структурных параметров клетки, но главное место занимает изменение электрического состояния: генерация потенциала действия, вслед за которым возникает деятельность, присущая данной ткани: мышца сокращается, нервная клетка генерирует нервный импульс, железа выделяет секрет. Сокращение мышц, генерирование нервных импульсов, выделение секрета – это специфические явления в тканях, сопровождающие процесс возбуждения. Кроме них всегда имеются и неспецифические проявления возбуждения – они такие же, как и во всех других тканях, не обладающих возбудимостью, а именно – это упомянутые ранее изменения обмена веществ, теплообразования, роста и деления клеток.
Возбудимость различных тканей неодинакова. Наиболее высокой возбудимостью отличаются рецепторы, затем следует нервная, мышечная и железистая ткани.
Проводимость – это свойство возбудимых тканей проводить волну возбуждения с определённой для данной ткани скоростью. В основе скорости проведения возбуждения лежит скорость биохимических реакций, протекающих на мембранах клеток.
Лабильность ткани (labilis, лат. – неустойчивый, скользящий). Это понятие ввёл в физиологию Н.Е.Введенский в 1901 г. для обозначения функциональной подвижности ткани. Под лабильностью понимают способность ткани отвечать на определённое ритмическое раздражение.
Мерой лабильности является максимальное количество импульсов, которое ткань способна воспроизвести в единицу времени без трансформации навязанного ритма.
Сократимость – это способность изменять механическое состояние сократительного аппарата цитоплазмы под влиянием раздражения.
История открытия биопотенциалов в живых тканях
Экспериментальное доказательство наличия «животного электричества» представил профессор Болонского университета (Италия) Л.Гальвани в своём труде «Сила электричества при мышечном движении». Науке известны его два классических опыта. 1. Первый опыт Гальвани (1786). Л.Гальвани изучал действие атмосферного электричества на препарат задних лапок лягушки. Для этого он подвешивал этот препарат (вместе с кусочком позвоночника) на медном крючке перил балкона. Однажды он увидел, как под влиянием ветра лапки дотрагивались до железных перил и сокращались. Гальвани сделал вывод, что спинной мозг является источником электрического тока, который, однако, себя никак не проявляет, пока не замкнута электрическая цепь. Когда лапки касаются перил, цепь замыкается, и они сокращаются. Однако это было ошибочное заключение. На ошибку указал профессор физики того же университета А.Вольта, который доказал, что источником тока в опыте Гальвани являются разнородные металлы – медь крючка и железо перил. Тогда Гальвани ставит свой второй опыт, который безапелляционно доказывает существование электрического тока в мышечной ткани.
2. Второй опыт Гальвани (1794). Все инструменты в опыте были стеклянными. Стеклянной палочкой Гальвани набрасывал нерв нервно-мышечного препарата лягушки на мышцы голени этого же препарата – и они сокращались в том случае, если нерв касался одновременно неповреждённой и повреждённой поверхности. Гальвани делает правильный вывод, что источником электрического тока, вызывающим сокращение мышц голени, являются сами мышцы. Дюбуа-Реймон – основоположник электрофизиологии – назвал этот опыт истинным основным опытом нервно-мышечной физиологии.
После открытия Л.Гальвани «животного электричества» начинается интенсивное изучение этого явления – это опыт «вторичного тетануса» Маттеучи, исследования Дюбуа-Реймона, Германа, Введенского и др. В результате этих исследований было высказано предположение, что биопотенциалы возникают на поверхностной мембране клетки. Рассмотрим строение этой мембраны.
Современные представления о строении и свойствах клеточных мембран
Поверхностная мембрана клетки ограничивает цитоплазму клетки и поэтому называется цитоплазматической. Её толщина колеблется от 6 до 12 нм, поэтому она не видна в оптический, но видна в электронный микроскоп. Характерным структурным признаком мембран является то, что они образуют замкнутые пространства, и это позволяет им выполнять весьма важные функции. По этому признаку цитоплазматическая мембрана клетки отличается от оболочки клетки (например, от сарколеммы или шванновской оболочки безмякотного нерва). Строение мембран.
Существует несколько моделей мембран, среди которых наибольшее распространение получила жидкостно-мозаичная модель (Singer, Nicolson, 1972). Согласно этой модели, мембрана состоит из бислоя фосфолипидов, которые составляют матрикс мембраны. Молекулы этих липидов являются амфипатическими соединениями (amphi, гр. – двоякий), т.е. состоят из двух функционально различных частей – полярной головки (глико- и фосфолипиды) и неполярного гидрофобного хвоста (жирные кислоты). Двойной слой образуется из 2-х монослоёв так, что гидрофобные хвосты направлены внутрь (при этом обеспечивается наименьший контакт гидрофобных хвостов с водной фазой). Липиды составляют 40-50%, белки – 50-60% структуры мембран. На внешней поверхности мембраны имеется слой мукополисахаридов, который называется гликокаликсом. В фосфолипидном слое плавают более или менее погруженные белки, представленные по даным микроскопического исследования тремя разновидностями: периферическими, полуинтегральными и интегральными. Именно за счёт белков полностью или частично осуществляются специфические функции мембран.
Периферические белки располагаются на поверхности мембраны. Их молекулы связаны с полярными головками молекул липидов электростатическими силами.
Полуинтегральные белки полупогружены в липидный слой мембраны своим гидрофобным полюсом, который взаимодействует с гидрофобной частью липидных молекул.
Интегральные белки проходят через всю толщу мембраны. Их гидрофобная часть находится в середине молекулы и соответствует гидрофобной зоне липидов.
С физиологической точки зрения белки всех клеток можно разделить на 5 классов: насосы, каналы, рецепторы, ферменты и структурные белки.
В связи с тем, что мембранные липиды находятся в жидком состоянии, белки способны менять свою степень погружения в липидном слое и свободно перемещаться в плоскости мембраны путём диффузии. Различают латеральную диффузию белков (перемещение вдоль плоскости мембран) и более редкое перемещение белков поперёк мембраны («флип-флоп» перемещение). Однако в некоторых случаях белки (интегральные) жёстко закреплены в мембране с помощью вспомогательных структур.
Для уточнения строения мембран проводят исследования на искусственных мембранах. Различают следующие их разновидности:
1) монослой фосфолипидов на границе раздела вода-воздух;
2) липосомы – везикулы, состоящие из билипидной мембраны и полученные обработкой смеси воды и фосфолипидов ультразвуком;
3) билипидная мембрана по Мюллеру (1962). Мюллер заполнил отверстия (диаметром 1 мм) в тефлоновой пластинке (толщиной несколько нм), разделяющей два водных раствора, фосфолипидом, растворённым в гептане. После того, как фосфолипид растекается, в отверстиях пластинки образуется плёнка – искусственная мембрана, у которой можно измерить электрические характеристики.
Функции мембран.
1. Барьерная функция – это защита клетки от нежелательных веществ. Благодаря различной проницаемости мембраны и неравенству концентраций ионов внутри и вне клетки возникает статическая поляризация мембраны и потенциал покоя. Мембраны возбудимых клеток, благодаря изменению проницаемости при раздражении, генерируют потенциал действия.
2. Матричная функция. Мембраны являются основой для удерживания белков.
3. Регуляторная функция – это регуляция внутриклеточных процессов по механизму восприятия белками-рецепторами сигналов от первичных мессенджеров (messenger, англ. – посредник) и запуск механизма вторичных мессенджеров. К первичным мессенджерам относятся гормоны, медиаторы, биологически активные вещества; к вторичным – цАМФ, цГМФ, Са++-кальмодулин, оксид азота.
4. Трансформация раздражений неэлектрического характера в электрические сигналы. Этой функцией обладают мембраны рецепторов.
5. Выделение медиаторов. Этой функцией обладают мембраны пресинаптических структур.
Электрическая характеристика мембраны.
Наиболее важными электрическими характеристиками мембран являются их ёмкость, сопротивление и проводимость.
Ёмкость мембраны определяется фосфолипидным слоем, который непроницаем для гидратированных ионов, и в то же время он не может эффективно разделять и накапливать электрические заряды по причине малой толщины (приблизительно 5 нм). Например, ёмкость мембраны аксона кальмара равна 1 мкф/см2.
Сопротивление мембраны довольно значительное. Например, удельное сопротивление мембраны аксона кальмара в покое равно 1000 ом×см2.
Проводимость – это мера ионной проницаемости мембраны, её увеличение указывает на увеличение числа ионов, проходящих через мембрану. Проводимость – это величина, обратная электрическому сопротивлению.
Мембрана легко проницаема для жирорастворимых веществ, молекулы которых проникают через липидный матрикс. Крупные водорастворимые молекулы и анионы органических кислот не проходят через мембрану (могут, но только экзоцитозом). Но в мембране имеются каналы, проницаемые для воды, для малых ионов и для малых водорастворимых молекул.
Ионные каналы, их классификация.
Особое значение в мембране клетки имеют каналы (диаметр 0,5-0,7 нм) проницаемые для ионов Na+, K+, Cl-, Ca++. Существуют селективные (специфические) натриевые, калиевые, хлорные и кальциевые каналы, которые избирательно пропускают Na+, или K+, или Cl-, или Ca++. Селективность обеспечивается особой белковой структурой – ионным фильтром. У входа и выхода из канала имеются специальные воротные механизмы, представленные также белковыми структурами. В воротном механизме различают активационные (m) ворота и инактивационные (h ) ворота. Открытие и закрытие ворот связано с конформационной подвижностью этих белков. В состоянии покоя клетки практически все натриевые каналы закрыты, а калиевые каналы, наоборот, в своём большинстве открыты. Это состояние ионных каналов имеет очень важное значение для возникновения мембранного потенциала покоя. Калиевые каналы блокируются органическим катионом – тетраэтиламмонием, а натриевые – тетродотоксином – ядовитым веществом, образующимся в тканях некоторых видов рыб и саламандр, а также новокаином.
Кроме специфических каналов, в мембране имеются неспецифические каналы для ионной утечки, которые проницаемы и для K+, и для Na+, и для Cl- (больше всего для K+). Эти каналы не имеют селективного фильтра, воротных механизмов, они всегда открыты и не меняют своего состояния при изменении электрического потенциала на мембране.
Есть каналы, открывающиеся электрическим стимулом, который изменяет поляризацию мембраны. Они называются потенциалзависимыми и через них идёт пассивное движение ионов. Имеются также потенциалнезависимые ионные каналы и лигандзависимые каналы. Лигандзависимые каналы открываются под действием химических веществ. Однако большинство каналов электроуправляемы.
Мембранный потенциал покоя
У всех живых клеток в покое плазматическая мембрана электрически поляризована, т.е. имеет разный электрический потенциал наружной и внутренней поверхностей. Это легко доказывается введением микроэлектрода, соединенного с усилителем и регистратором (осциллографом) внутрь клетки. Как только микроэлектрод проникает внутрь клетки, на экране осциллографа наблюдается скачок потенциала – от 0 до -70-80 мВ (по отношению к наружному электроду, расположенному в окружающей клетку жидкости). Эту величину называют мембранным потенциалом покоя или просто потенциалом покоя (ПП). Происхождение потенциала покоя.
Впервые В.Ю.Чаговец (1896 г) высказал предположение об ионном механизме биопотенциалов в живых клетках и применил для их объяснения теорию электролитической диссоциации Аррениуса. Ю.Бернштейн (1902 г) развил мембранно-ионную теорию происхождения биопотенциалов, которую затем модифицировали и экспериментально доказали Ходжкин, Хаксли и Катц (1949-1952 гг). В настоящее время эта теория пользуется всеобщим признанием. Согласно ей в происхождении потенциала покоя играют принципиальную роль 2 фактора:
1) избирательная проницаемость цитоплазматической мембраны;
2) ионная асимметрия между внутри- и внеклеточным пространствами.
В покое мембрана проницаема для ионов К+ и Cl-, мало проницаема для ионов Na+ и непроницаема для других анионов.
Внутри клетки ионов К+ содержится в 30-50 раз больше, чем снаружи; ионов Na+ снаружи больше примерно в 10 раз, чем внутри; ионов Cl- снаружи также больше примерно в 15 раз, чем внутри. Создаёт и поддерживает трансмембранный градиент концентраций Na+ и К+ особое молекулярное устройство, называемое натрий-калиевым насосом. Снаружи и внутри мембраны находится водная среда.
Таким образом, в формировании ПП участвуют следующие процессы:
1) активное движение ионов (с затратой энергии) против концентрационных градиентов с помощью натрий-калиевого насоса;
2) пассивная (без затраты энергии) диффузия ионов К+ по концентрационному (химическому) градиенту наружу клетки;
3) пассивная диффузия ионов по электрическому градиенту.
Все эти процессы тесно связаны между собой, а их разделение имеет определённую условность.
Ионы К+ вследствие их большой концентрации внутри клетки и большой проницаемости мембраны для них будут диффундировать под влиянием диффузионного давления из клетки на наружную поверхность мембраны. Ионы Cl- и Na+ диффундируют внутрь клетки. Проницаемость мембраны для К+, Na+ и Cl- в покое соответственно составляет 1:0,04:0,45. Внутри клетки, кроме ионов Cl-, находятся анионы различных органических кислот (глутаминовой, аспарагиновой и т.д.). Благодаря силам взаимного притяжения заряды удерживаются на наружной и внутренней поверхностях мембраны, поляризуя её, т.е. образуя два полюса: снаружи – положительный, внутри – отрицательный.
Диффузия ионов идёт постоянно, но она ограничивается силами электростатического взаимодействия. По мере выхода ионови калия из клетки сила диффузионного давления становится равной силе электростатического притяжения. В результате этого возникает состояние, когда число ионов калия, выходящих из клетки по химическому градиенту, равно числу ионов калия, входящих в клетку по электрическому градиенту. Трансмембранный потенциал, который устанавливается при этом, называется диффузионнным равновесным потенциалом для данного иона и обозначается буквой «Е», Равновесный потенциал для любого иона может быть рассчитан по формуле Нернста:
R - универсальная газовая постоянная, т.е кинетическая энергия 1 моля ионов при абсолютной температуре, равной 1о по Кельвину;
Т - абсолютная температура; n - валентность иона;
F - число Фарадея (заряд 1 моля одновалентных ионов);
Cнар. - концентрация ионов снаружи мембраны;
Свн. - концентрация ионов внутри клетки.
Установлено, что равновесие для ионов К+ в мышечном волокне теплокровных животных устанавливается при соотношении:
,при этом Е К+ = -95 мВ; для ионов Cl- при:
, при этом Е Cl- = -90 мВ. Измерения в опыте потенциала покоя поперечно-полосатого мышечного волокна показало, что он равен -90 мВ, т.е. близок к Е К+.
В аксоне кальмара он равен -70 мВ (а по формуле Нернста Е К+ = -75 мВ, т.е. тоже близок к измеренному в опыте).
Если рассчитать по формуле Нернста потенциал в аксоне кальмара для Cl-, то он будет равен -90 мВ, т.е. он далёк от фактического потенциала, измеренного в опыте. Проницаемость мембраны для Cl- в нервных волокнах мала, и поэтому Cl- не играет существенной роли в генезе потенциала покоя. В скелетных мышечных волокнах проницаемость для Cl- сравнима с калиевой, и поэтому диффузия Cl- внутрь клетки увеличивает потенциал покоя. Аналогичная картина наблюдается для большинства клеток. Поэтому можно сделать заключение, что потенциал покоя обязан своим происхождением ионам К+, т.е. это калиевый равновесный потенциал.
Незначительное расхождение между величинами потенциала покоя, измеренными в опыте и рассчитанными по формуле Нернста, состоит в том, что в покое мембрана в небольшой степени проницаема для ионов Na+, и эти ионы, входящие внутрь клетки, уменьшают фактическое значение потенциала покоя. Поскольку мембрана тонкая потенциал покоя создаёт сильное электрическое поле напряженностью порядка 10 кВ/см.
Экспериментальное доказательство правильности такой точки зрения привели Ходжкин и Хаксли: они заменили аксоплазму в гигантском аксоне кальмара (диаметр 0,5-1,0 мм) на раствор КСl аналогичной концентрации, и в аксоне регистрировался потенциал покоя примерно такой же величины, как и в нативном нервном волокне.
Функцией мембранного потенциала покоя является действие электрического поля на макромолекулы мембраны, при этом заряженные группы этих молекул получают определенную пространственную ориентацию, и таким образом, например, обеспечивается закрытое состояние активационных ворот натриевых каналов и открытое состояние их инактивационных ворот. Этим самым обеспечивается состояние покоя и готовность к возбуждению. При дальнейшем местном возбуждении будет использоваться эта энергия, накопленная в потенциале покоя.
Механизм активного транспорта ионов: натрий-калиевый насос.
В живой клетке имеется два типа движения ионов через мембрану. Один из них осуществляется по градиенту концентрации ионов и не требует затраты энергии, поэтому его называют пассивным ионным транспортом. Он ответственен за возникновение потенциала покоя и потенциала действия и, если бы в клеточной мембране не существовало особого молекулярного устройства – натрий-калиевого насоса, то в конечном итоге концентрация ионов по обе стороны мембраны выровнялись. Второй тип движения ионов через мембрану осуществляется против концентрационного градиента и состоит в «выкачивании» ионов натрия из цитоплазмы и «нагнетании» ионов калия внутрь клетки. Его называют активным ионным транспортом. Он ответственен за поддержание постоянства разности концентраций ионов между цитоплазмой и межтканевой жидкостью. Этот активный транспорт – результат работы натрий-калиевого насоса. Этот тип ионного транспорта возможен только при условии затраты энергии клеточного обмена веществ. Непосредственным источником энергии для этой работы является АТФ. Расщепление АТФ производится ферментом Na+-К+-АТФ-азой, локализованной в поверхностной мембране клетки. При расщеплении одной молекулы АТФ насос выводит из клетки три иона натрия взамен вводимых внутрь двух ионов калия. Это говорит об электрогенности насоса: он создаёт на мембране разность потенциалов, суммирующуюся с потенциалом покоя.
Если отношение между ионами было бы 2:2, то насос был бы электронейтрален. Вклад насоса в величину потенциала покоя у различных клеток разный: он существенен (до 25% от полной величины ПП) в гладких мышцах, в гигантских нейронах моллюсков, но незначителен в нервных волокнах кальмара.
Нарушают работу насоса следующие факторы:
1) нарушение кровоснабжения тканей, что приводит к ослаблению процесса синтеза АТФ;
2) торможение активности АТФ-азы (сердечные гликозиды).
При угнетении работы натрий-калиевого насоса калий накапливается снаружи клетки и вызывает деполяризацию мембраны. При продолжающейся блокаде насоса трансмембранная разность концентраций калия уменьшается в значительной степени, что приводит к прекращению генерации потенциала действия.
Таким образом, в формировании ПП натрий-калиевый насос имеет следующее значение:
1) поддерживает трансмембранный градиент концентраций Na+ и К+;
2) создаёт разность потенциалов, суммирующуюся с потенциалом, обусловленным диффузией калия по концентрационному градиенту.
Потенциал действия
При раздражении возбудимой клетки раздражителем достаточной (пороговой) силы и длительности мембранный потенциал покоя уменьшается до нуля и даже превышает ноль на 40-50 мВ. Этот потенциал называется потенциалом действия (ПД) и рассчитывается как арифметическая сумма между потенциалом покоя и превышением над нулем (овершут от overshoot, англ. – перелёт), т.е. он равен 120-130 мВ. Согласно мембранно-ионной теории при возникновении ПД мембрана изменяет свою проницаемость, она увеличивается для ионов Na+ в несколько сотен раз. Проницаемость К+, Na+ и Cl- соответственно составляет 1:20:0,45. Активатором деятельности потенциалзависимых Na+-каналов является изменение ПП. Ионы Na+ по химическому градиенту, а также благодаря электростатическим силам притяжения устремляются внутрь до полной деполяризации мембраны (т.е. до исчезновения ПП, т.е. до нуля), а затем происходит инверсия (inversio, лат. – переворачивание) потенциала – он становится положительным, и устанавливается новое электрохимическое равновесие. Если рассчитать натриевый равновесный потенциал по формуле Нернста, то он будет равен +50 мВ. Величина инверсии потенциала приближается к значению натриевого равновесного потенциала. Это означает, что ПД своим происхождением обязан ионам Na+. Экспериментальным подтверждением этого является факт исчезновения ПД при помещении нервного волокна в безнатриевую среду. Структура потенциала действия, характеристика его фаз, механизм их происхождения.
Потенциал действия – это комплекс быстрых, кратковременных электрических колебаний, для регистрации которого нужен катодный осциллограф и широкополосный усилитель. Именно ПД обеспечивает возникновение специфической реакции возбудимой ткани: для мышечной ткани – сокращение, для железистой – выделение секрета, для нервных волокон – проведение нервного импульса.
Классические исследования на гигантском аксоне кальмара с внутриклеточным раздражением и внутриклеточным отведением потенциала показало, что в ПД можно выделить пик (спайк) (spike, англ. – вершина, острие) и следовые потенциалы (рис. 2). Пик ПД продолжается от 0,5 до 3 мс и состоит из следующих фаз.
Восходящая часть ПД называется фазой деполяризации и состоит из быстрой деполяризации и инверсии потенциала (овершута). При быстрой деполяризации происходит быстрое снижение мембранного потенциала (он становится менее отрицательным, чем в покое) от величины критического уровня деполяризации (КУД) до нуля. КУД – это уровень деполяризации мембраны, с которого возникает потенциал действия. Величина мембранного потенциала на этом уровне обозначается Ек, а разность между мембранным потенциалом покоя (Е0) и Ек называется порогом деполяризации (∆V). Механизм ПД: лавинообразное пассивное (по концентрационному градиенту) поступление Na+ в клетку через потенциалзависимые натриевые каналы в результате резкого повышения проницаемости мембраны для Na+ (по причине быстрого конформационного изменения m-ворот каналов), которое превышает медленно увеличивающуюся проницаемость мембраны для К+. В каждом одиночном натриевом канале регистрируется короткий импульс тока маленькой амплитуды (+2 нА). Эти токи суммируются, формируя сдвиг потенциала на мембране. При этом отмечается медленное увеличение поступления в клетку Са++.
Рис.2. Динамика развития потенциала действия нервного волокна (А) в сопоставлении с движением натрия и калия через мембрану (Б).
Инверсия потенциала, т.е. увеличение величины мембранного потенциала с обратным знаком (т.е. положительный заряд внутренней поверхности мембраны и, соответственно, отрицательный заряд наружной поверхности увеличивается на 20-50 мВ). Механизм: продолжается лавинообразное пассивное поступление Na+ в клетку, медленное увеличение поступления К+ из клетки и увеличение транспорта Са++ в клетку.
Фаза реполяризации (возврата состояния мембраны к исходному состоянию) состоит из реверсии потенциала и быстрой реполяризации. Фаза реполяризации продолжительнее фазы деполяризации.
При реверсии (reversio, лат. – возврат) потенциала действия наблюдается уменьшение мембранного потенциала от положительного значения до нуля. Механизм: развивается натриевая инактивация, т.е. ток ионов Na+ уменьшается, при этом увеличивается проницаемость мембраны для К+.
Быстрая реполяризация – это нисходящая крутая часть кривой ПД. В это время мембранный потенциал быстро увеличивается, но часто не достигает значений КУД. Механизм: в это время увеличивается проницаемость мембраны для К+, и ток К+ из клетки достигает максимума. Одновременно продолжает снижаться поток Na+ в клетку, однако он сохраняется выше нормы. В этот период активируется работа К-Na насоса, в результате чего избыток Na+ выводится из клетки, а К+, наоборот, поступает в клетку.
Изменение проницаемости мембраны и потоков К+ и Na+ связаны с работой селективных каналов мембраны. В настоящее время хорошо изучен механизм работы потенциалзависимого натриевого канала. Натриевый канал состоит из гликопротеина с молекулярной массой около 300000 Д. Различные типы мембран содержат от 1 до 50 таких каналов на площади в 1 мкм2. Натриевый канал имеет устье, селективный фильтр (суженная часть канала) и воротный механизм, состоящий из активационных (m) ворот и инактивационных (h ) ворот. Ворота представляют молекулы белка, их электрические диполи (также как и магнитные диполи) ориентируются вдоль силовых линий электрического поля мембраны. При этом меняется конформация белка, m-ворота открываются и канал активируется. Внутренняя поверхность натриевого канала имеет значительный отрицательный заряд.
Натриевый канал может быть в трёх состояниях (рис.3):
1) состояние покоя – канал закрыт: «m»-ворота закрыты, «h»-ворота открыты;
2) активация канала при деполяризации – канал открыт: быстро (щелчком) открываются «m»-ворота, «h»-ворота продолжают оставаться открытыми, через канал проходит примерно 6000 ионов Na+ за 1 мс;
Рис.3. Схематическое изображение работы воротного механизма натриевого канала.
3) инактивация канала при реполяризации: закрываются «h»-ворота (медленно, через несколько миллисекунд после открытия «m»-ворот); «m»-ворота продолжают оставаться открытыми.
После реполяризации инактивация Na-канала устраняется и он возвращается в состояние покоя.
Кроме процесса инактивации натриевых каналов, в фазу реполяризации увеличивается движение ионов К+ из клетки и включается механизм активного удаления вошедших при возбуждении ионов Na с помощью специального Na-К-насоса.
Что касается калиевых каналов, то они имеют меньший диаметр, не имеют отрицательного заряда, имеют только активационные ворота. У них нет процесса инактивации, они могут быть либо в состоянии покоя, либо активации. В период открытого состояния калиевый канал часто на короткое время закрывается, т.е. происходят быстрые осцилляции между закрытым и открытым состоянием.
Есть ещё особые калиевые каналы, которые активируются повышением внутриклеточной концентрации Са++ и повышением деполяризации мембраны, их активация ускоряет реполяризацию и восстановление потенциала покоя. Са++ каналы важны для сердечной мышцы и будут рассмотрены в лекции по физиологии сердца.
За пиком потенциала следуют следовые потенциалы, которые бывают отрицательными и положительными. Амплитуда этих потенциалов не превышает нескольких милливольт, а длительность варьирует от нескольких до сотен миллисекунд. Следовые потенциалы связаны с восстановительными процессами в тканях, которые медленно развиваются после возбуждения.
Отрицательный следовой потенциал – это нисходящая пологая часть ПД (рис.2), характеризуется медленным процессом реполяризации и, соответственно, медленным увеличением мембранного потенциала до исходного уровня. Его длительность примерно 15 мс. Механизм: происходит постепенное уменьшение выхода К+ из клетки, поток Na+ в клетку продолжает снижаться, приближаясь к исходному уровню, но остается выше него. Отрицательный следовой потенциал характерен для скелетного мышечного волокна.
Положительный следовой потенциал (следовая гиперполяризация). В это время величина мембранного потенциала возрастает больше исходного уровня – примерно до -100 мВ. Его длительность от 70 до 300 мс. Механизм: ионный ток Na+ нормализуется, выход К+ из клетки уменьшается, но
Последнее изменение: Пятница, 3 января 2020, 10:34