Потенциал покоя и потенциал действия
Различают 2 вида потенциалов: потенциал покоя, когда ткань не возбуждена, и потенциал действия, который имеет место при возбуждении ткани. Разновидностью потенциала покоя является мембранный потенциал, который регистрируется на мембране клетки или нервного и мышечного волокна. Для регистрации мембранного потенциала и его изучения чаще всего используют аксон гигантской нервной клетки кальмара, который имеет довольно большой диаметр (около 1 мм) и в который нетрудно ввести микроэлектрод, представляющий собой стеклянную микропипетку с кончиком около 0,5 мкм, заполненную электролитом. Для регистрации мембранного потенциала на наружную поверхность мембраны накладывают обычный электрод, а микроэлектрод погружают в цитоплазму (рис. 2.6.). Электроды подсоединяются к прибору микровольтметру, регистрирующему величину мембранного потенциала. При погружении микроэлектрода в цитоплазму стрелка прибора отклоняется в сторону погруженного микроэлектрода и прибор показывает величину разности потенциалов. Полученная разность потенциалов называется мембранным потенциалом, который составляет 50-90 мВ.
Возникает вопрос, какова природа мембранного потенциала? В 1902 году известный немецкий нейрофизиолог Ю. Бернштейн высказал предположение, что причиной генерации мембранного потенциала является разная концентрация ионов К+ на поверхности мембраны и в цитоплазме (ионная асимметрия), обусловленная свойствами мембраны, которая создает емкостный потенциал (рис. 2.7.). Проведенные значительно позже исследования многочисленных исследователей показали, что Ю. Бернштейн прав. Оказалось, что концентрация ионов К+ в цитоплазме в 30-50 раз больше, чем на поверхности мембраны, а концентрация ионов Nа+ в 8-10 раз больше на ее наружной поверхности, чем в цитоплазме. Наблюдается также ионная асимметрия относительно ионов Сl-. Так, количество этих ионов на наружной поверхности мембраны в 10-20 раз больше, чем в цитоплазме.
Доказать, что основной причиной мембранного потенциала является ионная асимметрия можно при помощи расчетной формулы Нернста. Этот потенциал имеет место потому, что ионы К+ стремятся покинуть клетку, чтобы уровнять внешнюю и внутреннюю концентрацию. Однако при этом в клетке остается избыток анионов, что создает отрицательный заряд, ограничивающий выравнивание концентрации ионов К+. Ионы хлора ведут себя противоположным образом, они должны остаться снаружи, чтобы сбалансировать заряд плохо проницаемого через мембрану Nа+, но в то же самое время стремятся войти в клетку по концентрационному градиенту.
Рассчитанное Е превышает (т. е. является более отрицательным) регистрируемую в опыте величину мембранного потенциала. Это происходит, видимо, потому что ионы Nа+ преодолевают мембрану клетки, во-первых, по направлению градиента концентрации, во-вторых, притягивания избыточным электрическим зарядом внутри клетки.
В нормальных условиях разность между расчетным и измеренным значениями мембранного потенциала составляет около 10 мВ.
Асимметрическая концентрационная ионная природа мембранного потенциала доказывается и экспериментальным путем. Так, если искусственным путем менять концентрацию ионов в цитоплазме или на наружной поверхности ее, то мембранный потенциал будет также меняться. Например, если увеличивать концентрацию ионов Nа+ в цитоплазме, то значение мембранного потенциала уменьшается. Если же увеличивать концентрацию ионов К+ на поверхности мембраны, то мембранный потенциал возрастает. Можно подобрать такую концентрацию ионов, при которых мембранный потенциал будет равен нулю. Таким образом, наличие ионной асимметрии на клеточной мембране создает емкостный потенциал, что является основной причиной возникновения потенциала покоя или мембранного потенциала.
Однако, на величину мембранного потенциала влияют так называемые диффузионные токи, которые постоянно имеют место в мембране вследствие концентрационного градиента и представляющие пассивный транспорт. Как уже отмечалось раньше, концентрация ионов К+ в цитоплазме больше, чем на наружной части мембраны. Поэтому из цитоплазмы на наружную часть мембраны постоянно идет значительный по величине диффузионный К+-ток. Концентрация же ионов Nа+ на наружной поверхности мембраны несколько больше, чем цитоплазме, значит в этом случае, имеет место обратный натриевый ток, который в 80-100 раз меньше, чем калиевый ток, причем некоторые исследователи предполагают, что натриевый ток вообще отсутствует в силу небольшого концентрационного градиента.
Величина диффузионных токов определяется следующими факторами:
- величиной мембранного потенциала: чем меньше его значение, тем больше диффузионные токи,
- значением концентрационного градиента: чем больше разность концентрации ионов, тем интенсивнее диффузионный ток,
- размерами ионов, размерами и структурой стенки каналов, стерической адекватностью вида ионов к данному виду канала,
- активностью лигандных систем, способных снимать водную оболочку с ионов (показано, что вокруг иона Nа+ находится около 16 молекул воды, а вокруг иона К+ - 10; проходя по своим каналам ионы связываются со специфическими участками лигандных систем канала и, теряя большую часть гидратной оболочки, легко преодолевают канал).
Возникает вопрос: “Почему при наличии постоянных диффузионных токов сохраняется ионная асимметрия, поддерживающая величину мембранного потенциала на относительно постоянном уровне?”.
В 1941 году американский ученый Ден высказал предположение, что наряду с пассивным транспортом, в мембране имеется активный транспорт ионов, протекающий с затратой энергии, т. к. перемещение ионов осуществляется против концентрационного градиента. Именно, за счет процессов активного транспорта в клетках и волокнах поддерживается ионная асимметрия и, таким образом, сохраняется величина мембранного потенциала на относительно постоянном уровне. Для поддержания ионной асимметрии необходимо, чтобы ионы Nа+, входящие в клетку пассивно, выводились бы обратно, а ионы К+, выходящие из клетки, возвращались обратно в цитоплазму. Эту функцию осуществляют специфические системы, получившие название насосов (помпы): К+-насос, Nа+-насос.
В систему активного транспорта входят три компонента: 1) источник энергии - АТФ, 2) фермент АТФаза и 3) переносчик ионов - ионофор.
В 1957 году Скоу открыл фермент, гидролизирующий АТФ только при условии добавления ионов К и Nа в содержащую ионы магния среду. Этот фермент был назван АТФазой. Скоу предположил, что АТФаза является интегральной частью Nа+-К+-насоса и расщепление АТФ обеспечивает энергию активного транспорта ионов К и Nа. С тех пор был получен ряд фактов, свидетельствующих о том, что Nа+-К+-АТФаза обнаруживается во всех случаях, когда имеет место активный транспорт ионов. Уровень ее ферментативной активности коррелирует с количеством транспортируемых ионов. Нервным клеткам свойственна высокая активность Nа+-К+-насоса, в то время как в эритроцитах этот показатель находится на низком уровне. При гидролизе одной молекулы АТФ происходить перенос трех ионов Nа из клетки во внешнюю среду и двух ионов К, которые перемещаются в противоположном направлении. Следовательно, работа насоса генерирует электрический ток через мембрану. Другими словам, этот факт доказывает, что К+- Nа+ насос электрогенен: насосы изменяют величину мембранного потенциала или поддерживают его величину на постоянном уровне. Имеются вещества, блокирующие систему активного транспорта, введение которых прекращает работу насосов. В результате чего исчезает ионная асимметрия, а вместе с ней и мембранный потенциал.
Активный транспорт имеет большое физиологическое значение, т. к. имеет место во всех клеточных мембранах. Организм человека и животных на активный транспорт затрачивает более трети АТФ, расходуемой в состоянии покоя. Градиенты К+ и Nа+ регулируют объем клетки, обеспечивая возбудимость нервных и мышечных элементов, а также являются движущей силой для активного транспорта аминокислот.
Второй разновидностью электрических процессов является потенциал действия, который возникает тогда, когда на мембрану клетки действует раздражитель пороговой силы. При действии же на мембрану раздражителя подпороговой силы наблюдается местный (локальный) потенциал, который проявляется уменьшением мембранного потенциала или деполяризацией. Последняя является результатом увеличения натриевого тока в цитоплазму. Локальный ответ подчиняется ряду закономерностей:
- локальный ответ распространяется декрементно, т. е. по мере удаления от места раздражения его величина постепенно уменьшается до нуля,
- он подчиняется закону градуальности: чем больше величина подпорогового раздражителя, тем выраженнее локальный ответ (деполяризация),
- локальный ответ не имеет периода рефрактерности (невозбудимости);
- локальный ответ способен суммироваться.
Если на мембрану действует раздражитель пороговой силы, то как было сказано раньше, возникает потенциал действия, при этом на мембране наблюдается изменение величины мембранного потенциала, которое носит фазовый характер.
Первая фаза - фаза деполяризации. Связана с уменьшением величины мембранного потенциала и обусловлена увеличением натриевого тока в цитоплазму. Фактически это локальный ответ.
Вторая фаза - фаза инверсии или перезарядки мембраны. Как только под влиянием порогового раздражителя деполяризация мембраны достигает критического уровня (т. е. некоего уровня уменьшения мембранный потенциал, как правило, это уменьшение составляет 30-40% от мембранного потенциала в покое), это снижение потенциала улавливается сенсором напряжения канала, который, в свою очередь, запускает активационную систему, в результате чего открываются все натриевые каналы и возникает лавинообразный натриевый ток внутрь клетки (неуправляемый регенераторный процесс). По образному выражению известного английского физиолога Шеррингтона, натрий как бы весь проваливается в дефект мембраны. В результате такого ионного тока мембрана перезаряжается и ее потенциал достигает величины +30 мВ. Перезарядка мембраны имеет большой биологический смысл, т. к. она обеспечивает электродвижущую силу, лежащую в основе распространения потенциала действия. Отрицательно заряженный (возбужденный) участок мембраны становится раздражителем для соседнего положительно заряженного (невозбужденного) участка, в результате чего возникают круговые (циркулярные, местные) токи, которые и лежат в основе распространения потенциала действия. Перезарядка мембраны улавливается сенсором напряжения, который затем включает инактивационную систему, закрывающую все натриевые каналы и прекращающую натриевый ток.
Возникает вопрос: “Для чего необходимо периодически закрывать натриевые каналы и прекращать натриевый ток?”. Периодически закрывать натриевые каналы необходимо для того, чтобы сформировался потенциал действии (импульс) и возбуждение приняло ритмический (импульсный) характер. В противном случае возбуждение приняло бы сплошной характер, что полностью исключает регуляцию процессов жизнедеятельности, основанной на частотной характеристике. Поскольку принято считать, что в большинстве случаев возбуждение связано с натриевым током, то инактивационная система обязательно должна иметься в натриевых каналах.
За фазой перезарядки мембраны (инверсия) следует третья фаза - фаза реполяризации - восстановления мембранного потенциала, которая в первое время идет преимущественно за счет открытия калиевых каналов и увеличения калиевого тока из цитоплазмы на поверхность мембраны. И только несколько позже, по-видимому, подключается система активного транспорта, осуществляющая перенос ионов натрия из цитоплазмы на поверхность мембраны, а ионов калия с поверхности мембраны - в цитоплазму. Быстрое удаление ионов Nа из клетки оказывается возможным благодаря тому, что на каждый канал в мембране имеется 5-10 молекул АТФазы, каждая из которых должна выкачать от 5000 до 10000 ионов Nа, прежде, чем начнется следующий цикл возбуждения. Необходимо отметить, что во время возникновения импульса через плазматическую мембрану проходит очень малое количество ионов Nа, примерно одна миллионная часть от его содержания (нервная клетка). Из этого следует, насколько эффективен потенциал действия как средство сигнализации на большое расстояние.
Потенциал действия можно получить графически (рис. 2.8.). Рассмотрим его составные элементы. Перед потенциалом действия должен быть латентный период – период времени от начала нанесения раздражения до начала появления первого элемента потенциала действия. После латентного периода регистрируется локальный ответ, связанный с деполяризацией мембраны, обусловленной увеличением медленного натриевого тока. Локальный ответ переходит в основной зубец потенциала действия (пик), который имеет восходящее и нисходящее колено. Величина основного зубца составляет 110-120 мВ, а продолжительность в нервном волокне - 0,5-2 мс. За основным зубцом потенциала действия идут следовые потенциалы: 1) следовая электроотрицательность, продолжающаяся 4-6 мс, связанная с задержкой калиевого тока (в этот момент мембрана остается частично деполяризованной), 2) следовая электроположительность, продолжающаяся 30-40 мс (в этот момент наблюдается увеличение мембранного потенциала, который становится больше исходного –гиперполяризация; состояние гиперполяризации обусловлено увеличением калиевого тока из цитоплазмы на поверхность мембраны, который становится больше исходного).