Потенциал действия. Фазы потенциала действия
Потенциалом действия называют быстрое изменение мембранного потенциала, возникающее при возбуждении нервных, мышечных и некоторых железистых клеток. В основе его возникновения лежат изменения ионной проницаемости мембраны. В развитии потенциала действия выделяют четыре последовательных периода: 1) локальный ответ; 2) деполяризация; 3) реполяризация и 4) следовые потенциалы (рис. 2.11).
Локальный ответ представляет собой активную местную деполяризацию, возникающую вследствие увеличения натриевой проницаемости клеточной мембраны. Уменьшение мембранного потенциала называется деполяризацией. Однако при подпороговом стимуле начальное повышение натриевой проницаемости недостаточно велико, чтобы вызвать быструю деполяризацию мембраны. Локальный ответ возникает не только при подпороговом, но и при надпороговом раз-
Рис. 2.11.
1 - локальный ответ; 2 - фаза деполяризации; 3 - фаза реполяризации; 4 - отрицательный следовой потенциал; 5 - положительный (гиперполяризационный) следовой потенциал
дражении и является составным компонентом потенциала действия. Таким образом, локальный ответ является первоначальной и универсальной формой реагирования ткани на различные по силе раздражения. Биологический смысл локального ответа состоит в том, что если раздражитель по силе мал, то ткань реагирует на него с минимальной тратой энергии, не включая механизмы специфической деятельности. В том же случае, когда раздражение надпороговое, локальный ответ переходит в потенциал действия. Период от начала раздражения до начала фазы деполяризации, когда локальный ответ, нарастая, снижает мембранный потенциал до критического уровня (КУД), называется латентным или скрытым периодом, продолжительность которого зависит от силы раздражения (рис. 2.12).
Фаза деполяризации характеризуется быстрым уменьшением мембранного потенциала и даже перезарядкой мембраны: внутренняя ее часть на некоторое время становится заряженной положительно, а внешняя - отрицательно. Изменение знака заряда на мембране называют извращением - реверсией потенциала. В отличие от локального ответа скорость и величина деполяризации не зависят от силы раздражителя. Продолжительность фазы деполяризации в нервном волокне лягушки составляет около 0,2-0,5 мс.
Продолжительность фазы реполяризации составляет 0,5-0,8 мс. Восстановление исходной величины поляризации мембраны называют реполяризацией. В течение этого времени мембранный потен-
Рис. 2.12. Потенциалы действия, возникающие в ответ на пороговое раздражение коротким (А) и длительным (Б) стимулами Раздражающие стимулы, при воздействии которых получены ответы А и Б: ПП - потенциал покоя; Екуд. - критический уровень деполяризации мембраны (по А.Л. Каталымову)
циал постепенно восстанавливается и достигает 75-85% потенциала покоя. В литературе второй и третий периоды часто называют пиком потенциала действия.
Колебания мембранного потенциала, следующие за пиком потенциала действия, называют следовыми потенциалами. Различают два вида следовых потенциалов - следовую деполяризацию и следовую гиперполяризацию, которые соответствуют четвертой и пятой фазам потенциала действия. Следовая деполяризация (отрицательный следовой потенциал) является продолжением фазы реполяризации и характеризуется более медленным (по сравнению с фазой реполяризации) восстановлением потенциала покоя. Следовая деполяризация переходит в следовую гиперполяризацию (положительный следовой потенциал), представляющую собой временное увеличение мембранного потенциала выше исходного уровня. Увеличение мембранного потенциала называется гиперполяризацией. В миелинизирован- ных нервных волокнах следовые потенциалы имеют более сложный характер: следовая деполяризация может переходить в следовую гиперполяризацию, затем иногда возникает новая деполяризация, лишь после этого происходит полное восстановление потенциала покоя.
Ионный механизм возникновения потенциала действия. Основу потенциала действия составляют последовательно развивающиеся во времени изменения ионной проницаемости клеточной мембраны.
При действии на клетку раздражителя проницаемость мембраны для ионов Na + резко повышается за счет активации (открывания) натриевых каналов.
При этом ионы Na + по концентрационному градиенту интенсивно перемещаются из вне во внутриклеточное пространство. Вхождению ионов Na + в клетку способствует и электростатическое взаимодействие. В итоге проницаемость мембраны для Na + становится в 20 раз больше проницаемости для ионов К + .
Сначала деполяризация идет сравнительно медленно. Когда мембранный потенциал уменьшается на 10-40 мВ, скорость деполяризации резко увеличивается и кривая потенциала действия круто поднимается верх. Уровень мембранного потенциала, при котором резко увеличивается скорость деполяризации мембраны, благодаря тому что поток ионов Na + внутрь клетки оказывается большим, чем поток ионов К + наружу, называют критическим уровнем деполяризации.
Поскольку поток Na + в клетку начинает превышать калиевый ток из клетки, происходит постепенное снижение потенциала покоя, приводящее к реверсии - изменению знака мембранного потенциала. При этом внутренняя поверхность мембраны становится электроположительной по отношению к ее внешней электроотрицательной поверхности. Указанные изменения мембранного потенциала соответствуют восходящей фазе потенциала действия (фазе деполяризации).
Мембрана характеризуется повышенной проницаемостью для ионов Na + лишь очень короткое время (0,2-0,5 мс). После этого проницаемость мембраны для ионов Na + вновь понижается, а для К + - возрастает. В результате поток Na + внутрь клетки резко ослабляется, а ток К + из клетки усиливается.
В течение потенциала действия в клетку поступает значительное количество Na + , а ионы К + покидают клетку. Восстановление клеточного ионного баланса осуществляется благодаря работе натрий- калиевого насоса, активность которого возрастает при повышении внутренней концентрации ионов Na + и увеличении внешней концентрации ионов К + . Благодаря работе ионного насоса и изменению проницаемости мембраны для Na + и К + их концентрация во внутри- и внеклеточном пространстве постепенно восстанавливается.
Итогом этих процессов и является реполяризация мембраны: внутреннее содержимое клетки вновь приобретает отрицательный заряд по отношению к внешней поверхности мембраны.
Следовой отрицательный потенциал регистрируется в период, когда № + -каналы инактивированы и реполяризация, связанная с выходом ионов К + из клетки, происходит медленнее, чем во время нисходящей части пика потенциала действия. Это длительное сохранение отрицательности наружной поверхности возбужденного участка по отношению к невозбужденному называют следовой деполяризацией. Следовая деполяризация означает, что в этот период наружная поверхность возбудимого образования имеет меньший положительный заряд, чем в состоянии покоя.
Следовой положительный потенциал соответствует периоду увеличения мембранного потенциала покоя, т.е. гиперполяризации мембраны. Во время следового положительного потенциала наружная поверхность клетки более положительно заряжена, чем в состоянии покоя. Следовой положительный потенциал часто называют следовой гиперполяризацией. Она объясняется длительным сохранением повышенной проницаемости для ионов К + . Вследствие этого на мембране устанавливается потенциал, равный потенциалу равновесия (для К + - 90 мВ).
Изменения возбудимости в процессе развития возбуждения. Воздействуя раздражителями разной силы в различные фазы потенциала действия, можно проследить, как изменяется возбудимость в ходе возбуждения. На рис. 2.13" видно, что период локального ответа характеризуется повышенной возбудимостью (мембранный потенциал приближается к критическому уровню деполяризации); во время фазы деполяризации мембрана утрачивает возбудимость (клетка становится рефрактерной), которая постепенно восстанавливается в ходе реполяризации.
Выделяют период абсолютной рефрактерности , который в нервных клетках продолжается около 1 мс и характеризуется их полной невоз- будимостью. Период абсолютной рефрактерности возникает в результате практически полной инактивации (непроницаемости) натриевых каналов и повышения калиевой проводимости мембраны. Даже в состоянии покоя активированы не все каналы мембраны, 40% из них находятся в состоянии инактивации. При деполяризации количество инактивированных каналов увеличивается и вершина пика потенциала действия соответствует инактивации всех натриевых каналов.
По мере реполяризации мембраны происходит реактивация натриевых каналов. Это период относительной рефрактерности : потенциал действия может возникнуть только при действии более сильных (надпороговых) раздражителей.
В период отрицательного следового потенциала фаза относительной рефрактерности сменяется фазой повышенной (супернормальной) возбудимости. В этот период порог раздражения снижен по сравнению с исходным значением, поскольку мембранный потенциал ближе к критической величине, чем в состоянии покоя (рис. 2.14) .
Фаза следовой гиперполяризации, обусловленная остаточным выходом калия из клетки, напротив, характеризуется снижением
Рис. 2.13.
А - компоненты волны возбуждения: 1 -деполяризация; 2 - реполяризация; МП - мембранный потенциал; мВ - микровольт; МК - критический уровень деполяризации: а - длительность порогового потенциала; б - длительность потенциала действия; в - следовая отрицательность; г - следовая положительность; Б - изменения возбудимости в разные фазы волны возбуждения; УВ - уровень возбудимости в покое: а - повышение возбудимости в период порогового потенциала; б - падение возбудимости до нуля во время протекания потенциала действия (абсолютная рефрактерность); в, - возвращение возбудимости к исходному уровню во время следовой отрицательности (относительная рефрактерность); в 2 - повышение возбудимости в период конца следовой отрицательности (экзальтация"или супернормальность); в - весь период следовой отрицательности; г - падение возбудимости в период гиперполяризации (субнормальность)
возбудимости. Поскольку мембранный потенциал больше, чем в состоянии покоя, требуется более сильный раздражитель для его «смещения» до уровня критической деполяризации.
Таким образом, в динамике возбудительного процесса изменяется способность клетки реагировать на раздражители, т.е. возбудимость.
Рис. 2.14.
Величина мембранного потенциала: Е 0 - в покое; - в фазе экзальтации; Е 2 - в фазе гиперполяризации. Величина порогового потенциала: е 0 - в покое; е, - в фазе экзальтации; е 2 - в фазе гиперполяризации
Это имеет большое значение, поскольку в момент наибольшего возбуждения (пика потенциала действия) клетка становится абсолютно невозбудимой, что защищает ее от гибели и повреждений.
- См.: Леонтьева Н.Н., Маринова К.В. Указ. соч.
- Там же.
Форма потенциала действия позволяет разделить процесс его генерации на несколько фаз: предспайк, быстрая деполяризация, реполяризация и следовые потенциалы (рис. 2.3).
Рис. 2.3.
Предспайк - это процесс медленной деполяризации мембраны, который начинается с первого отклонения от потенциала покоя и заканчивается достижением КУД. Предспайк включает пассивную деполяризацию мембраны и активный локальный ответ. Активный ответ возникает, когда пассивная деполяризация мембраны достигает 70-80% от значений КУД и является первым проявлением начинающегося активного состояния мембраны - началом ее возбуждения. Благодаря пассивной деполяризации и локальному активному ответу сдвиг потенциала на мембране достигает критического уровня деполяризации, при котором и развивается собственно ПД.
Фаза быстрой (лавинообразной) деполяризации мембраны является первой фазой ПД. На этой стадии мембранный потенциал быстро сдвигается от критического уровня деполяризации до нуля и продолжает смещаться вплоть до пика Г1Д, перезаряжая мембрану. Во время первой фазы ПД потенциал на мембране «извращается», т.е. мембрана разряжается до нуля и перезаряжается с противоположным знаком. Участок ПД со значениями от нуля до пика перезарядки носит название овершут (англ, overshoot) потенциала. Вместо отрицательных значений потенциал на мембране становится положительным. У гигантского аксона кальмара пик ПД достигает значений порядка +50 мВ, а фаза деполяризации с овер- шутом длится порядка 0,5 мс.
Фаза реполяризации является второй фазой ПД. Во время этой фазы значение потенциала на мембране возвращается к исходному значению, т.е. к потенциалу покоя. Эта фаза может быть подразделена на быструю реполяризацию от +50 мВ до 0 В и более медленную реполяризацию - от 0 В до КУД и далее до потенциала покоя. Фаза реполяризации занимает 1-2 мс.
Следовые потенциалы могут в ряде случаев развиваться в конце ПД в виде медленной деполяризации или даже медленной гиперполяризации. Следовая гиперполяризация наблюдается, в частности, на мембране гигантского аксона кальмара.
Ионная природа фаз потенциала действия была изучена в ходе экспериментов на гигантских аксонах кальмара Ходжкиным и Хаксли. Выяснилось, что в момент генерации ПД электрическое сопротивление мембраны аксона на период 1-2 мс снижается в 20-30 раз, г.е. резко возрастает проводимость мембраны, и через мембрану начинает протекать ток. Но какой это ток? Оказалось, что если удалить катионы Na + из наружного раствора и заменить их на сахарозу, то амплитуда потенциала действия резко уменьшается либо ПД вообще не возникает. Это позволило сделать заключение, что главной причиной генерации ПД и перезарядки мембраны до положительных значений является возникновение высокой проницаемости мембраны к катионам натрия и быстрый вход этих катионов внутрь клетки.
Движение натрия внутрь происходит под действием двух сил. Первая сила связана с наличием трансмембранного концентрационного градиента катионов натрия. Концентрация натрия в наружном растворе в 20-30 раз больше, чем внутри, т.е. концентрационный градиент для Na + направлен внутрь клетки, и при наличии достаточной проницаемости катионы натрия будут быстро входить в клетку. Вторая сила связана с наличием большого отрицательного заряда на внутренней стороне мембраны (порядка -70 мВ). Отрицательный заряд на внутренней стороне мембраны будет способствовать входу положительно заряженных катионов натрия в клетку. Входя, катионы натрия будут сначала стремительно уменьшать отрицательный заряд мембраны до нуля, а потом перезаряжать мембрану до положительных значений, приближая величину мембранного потенциала к равновесному потенциалу для Na + . Напомним, что равновесный потенциал для катионов Na" может быть рассчитан по уравнению Нернста и составляет для гигантского аксона кальмара +55 мВ.
В пользу участия входящего натриевого тока в создании деполяриза- ционной фазы ПД свидетельствуют результаты экспериментов с тетродо- токсином - блокатором потенциал-зависимой натриевой проницаемости. Тетродотоксин способен полностью блокировать развитие Г1Д (рис. 2.4, а).
Рис. 2.4. Изменения ПД, возникающие при действии на мембрану избирательных блокаторов натриевой проницаемости - тетродотоксина (я) или калиевой проницаемости - тетраэгиламмония (б)
Таким образом, натриевая гипотеза удовлетворительно объясняет развитие деполяризационной фазы ПД, но оставляет открытым вопрос о причинах рсиоляризации, т.е. фазы ПД, приводящей к возврату мембранного потенциала к уровню потенциала покоя. Было высказано предположение, что на мембране развивается еще один процесс - возрастает ее проницаемость к ионам калия. Было ясно, что это - особая активная калиевая проницаемость, отличающаяся от пассивной калиевой проницаемости, существующей у мембраны в покое (пассивной калиевой утечки). Дополнительная калиевая проницаемость мембраны возникает только в ответ на деполяризацию мембраны до критического уровня, причем с небольшим запаздыванием по сравнению с увеличением натриевой проницаемости. В случае возникновения такой дополнительной активной проницаемости к калию катионы К* начинают выходить из клетки под действием концентрационного градиента и заряда на мембране, созданного опережающим входом катионов натрия. Входящие катионы Na + заряжают внутреннюю сторону мембраны положительно, а наружную - отрицательно. Дополнительный выходящий ток катионов калия будет уменьшать созданный натриевым током положительный заряд внутри клетки и возвращать электрический заряд па мембране к исходным значениям, т.е. к потенциалу покоя.
В пользу участия выходящего калиевого тока в создании реполяризаци- онной фазы ПД свидетельствовали результаты экспериментов с использованием блокатора активной калиевой проницаемости - тетраэтиламмония. Тетраэтиламмоний резко замедляет протекание фазы реполяризации ПД (рис. 2.4, б).
Если ПД является результатом появления и развития на мембране двух новых ионных токов, которых не было в покое, а именно токов натрия и калия, то, следовательно, при деполяризации на мембране открываются новые потенциал-активируемые ионные каналы. Эти каналы проводят сначала натрий, а затем - калий. Свойства таких каналов можно понять, анализируя развитие токов, которые возникают при их работе. Но эти токи надо регистрировать «в чистом виде», т.е. не осложненные одновременными изменениями потенциала на мембране и емкостными токами мембраны. Для этого Ходжкиным и Хаксли в их экспериментах на гигантских аксонах кальмара впервые был использован метод фиксации потенциала на мембране (англ, voltage-clamp).
Метод фиксации потенциала на мембране заключается в подключении к мембране аксона системы двух усилителей. Один усилитель предназначен для регистрации сдвигов мембранного потенциала, второй работает по принципу отрицательной обратной связи. В аксон вводятся два проволочных микроэлектрода. Один из них измеряет сдвиги мембранного потенциала и передает их на усилитель с отрицательной обратной связью. Этот усилитель (отслеживающий сдвиги потенциала на мембране и генерирующий токи) на выходе соединяют со вторым внутриклеточным микроэлектродом - токовым. Через этот микроэлектрод будет подаваться ток, который можно измерять во внешней цепи индифферентного электрода, расположенного снаружи аксона.
Если теперь искусственно деполяризовать мембрану до КУД, то в ответ через возбужденную мембрану начинают течь потенциал-активируемые токи: натриевый и калиевый. Создаваемые этими токами сдвиги мембранного потенциала мгновенно отслеживаются при помощи усилителя обратной связи, посылающего через токовый микроэлектрод равные по амплитуде, но противоположно направленные токи, - возникает обратная связь. Такие «токи фиксации» удерживают (фиксируют) мембрану от сдвигов потенциала и являются, по существу, зеркальным отражением Na + - и К + -токов. Токи фиксации могут быть легко измерены во внешней цепи схемы (рис. 2.5).
Рис. 2.5.
(voltage-clamp ):
при помощи усилителя обратной связи токовый электрод пропускает ток фиксации, являющийся зеркальным отражением трансмембранных токов
На рис. 2.6 приведены данные, полученные с применением метода фиксации потенциала. При деполяризации мембраны от -65 до -9 мВ мембрана возбуждается, что сопровождается генерацией двухфазного тока. Видно, что сначала возникает быстрый входящий ток, который затухает и сменяется на более медленно развивающийся выходящий ток. Оказалось, что входящий ток можно полностью заблокировать с помощью тетродоток- сина - избирательного блокатора потенциал-зависимых натриевых каналов. Из этого следует, что входящий ток - натриевый ток.
Выходящий ток, также возникавший в ответ на деполяризацию, при этом сохраняется и выявляется в чистом виде. Этот ток развивается с небольшой задержкой, нарастает медленнее, но зато не затухает и сохраняется в течение всего времени деполяризации. Он полностью блокируется блокатором потенциал-активируемых калиевых каналов тетраэтилам- монием и, следовательно, представляет собой потенциал-активирусмый К + -ток. Таким образом, с помощью метода фиксации потенциала и использования избирательных блокаторов натриевого и калиевого токов удалось разделить и выявить по отдельности два тока, возникающих при генерации ПД, показать их независимость друг от друга и проанализировать каждый из них.
Рис. 2.6.
а - смещение мембранного потенциала на 56 мВ и фиксация его на уровне -9 мВ;
6 - двухфазный (ранний входящий и поздний выходящий) ток в ответ на фиксацию потенциала на уровне -9 мВ; в - фармакологическое разделение двух токов с помощью блокаторов натриевой (тетродотоксин) и калиевой (тетраэтиламмоний)
Биопотенциалы.
Понятие и виды биопотенциалов. Природа биопотенциалов.
Причина возникновения потенциала покоя. Стационарный потенциал Гольдмана.
Условия возникновения и фазы потенциала действия.
Механизм генерации потенциала действия.
Методы регистрации и экспериментального исследования биопотенциалов.
Понятия и виды биопотенциалов. Природа биопотенциалов.
Биопотенциалы – любые разности потенциалов в живых системах: разность потенциалов между клеткой и окружающей средой; между возбуждённым и невозбуждённым участками клетки; между участками одного организма, находящимися в разных физиологических состояниях.
Разность потенциалов -электрический градиент – характерная черта всего живого.
Виды биопотенциалов:
Потенциал покоя (ПП) – постоянно существующая в живых системах разность потенциалов, характерная для стационарного состояния системы. Он поддерживается постоянно протекающими звеньями обмена веществ.
Потенциал действия (ПД) – быстро возникающая и вновь исчезающая разность потенциалов, характерная для переходных процессов.
Биопотенциалы тесно связаны с метаболическими процессами, следовательно, являются показателями физиологического состояния системы.
Величина и характер биопотенциалов являются показателями изменений в клетке в норме и патологии.
Существует большая группа электрофизиологических методов диагностики , основанных на регистрации биопотенциалов (ЭКГ, ЭМГ и т.д.).
В основе возникновения биопотенциалов лежит несимметричное относительно мембраны распределение ионов, т.е. различные концентрации ионов по разные стороны мембраны. Непосредственная причина – различная скорость диффузии ионов по их градиентам, определяющаяся селективностью мембраны.
Биопотенциалы – ионные потенциалы, преимущественно мембранной природы – это основное положениеМембранной теории биопотенциалов (Бернштейн, Ходжкин, Катц).
Причина возникновения потенциала покоя. Стационарный потенциал Гольдмана.
Натриевый насос – создаёт и поддерживает градиент концентрации иона натрия, иона калия, регулируя их поступление в клетку и выведение из неё.
В состоянии покоя клетка проницаема главным образом для ионов калия. Они диффундируют по градиенту концентрации через клеточную мембрану из клетки в окружающую жидкость. Крупные органические анионы, содержащиеся в клетке не могут преодолеть мембрану. Таким образом внешняя поверхность мембраны заряжается положительно, а внутренняя – отрицательно.
Изменение зарядов и разности потенциалов на мембране продолжается пока силы, обуславливающие градиент концентрации калия не уравновесятся силами возникающего электрического поля, следовательно, не будет достигнуто стационарное состояние системы.
Разность потенциалов через мембрану в этом случае и есть – потенциал покоя.
Вторая причина возникновения потенциала покоя – электрогенность калий-натриевого насоса.
Теоретическое определение потенциала покоя:
При учёте лишь калиевой проницаемости мембраны в состоянии покоя потенциал покоя можно вычислить по уравнению Нернста:
R – универсальная газовая постоянная
T – абсолютная температура
F – число Фарадея
С iK – концентрация калия внутри клетки
C eK – концентрация калия снаружи клетки
На самом деле, помимо ионов калия, клеточная мембрана проницаема также и для ионов натрия и хлора, однако в меньшей степени. Если градиент натрия поступает внутрь клетки, то мембранный потенциал уменьшается. Если градиент хлора поступает внутрь клетки, то мембранный потенциал увеличивается.
,
где
P – проницаемость мембраны для данного иона.
Условия возникновения и фазы потенциала действия.
Раздражители – внешние или внутренние факторы, действующие на клетку.
При действии раздражителей на клетку меняется электрическое состояние клеточной мембраны.
Потенциал действия возникает лишь при действии раздражителя достаточной силы и длительности.
Пороговая сила – минимальная сила раздражителя, необходимая для инициации потенциала действия. Раздражители большей силы –надпороговые ; меньшей силы –подпороговые . Пороговая сила раздражителя находится в обратной зависимости от его длительности в определённых пределах.
Если у раздражителя надпороговой или пороговой силы на участке раздражения возникает электрический импульс характерной формы, распространяющийся вдоль всей мембраны, то возникнет потенциал действия .
Фазы потенциала действия:
Восходящая – деполяризация
Нисходящая – реполяризация
Гиперполяризация (возможна, но не обязательна)
-
потенциал цитоплазмы
- действие раздражителя ((над)пороговой
силы)
д – деполяризация
р – реполяризация
г – гиперполяризация
Фаза деполяризации – быстрая перезарядка мембраны: внутри положительный заряд, снаружи – отрицательный.
Фаза реполяризации – возвращение заряда и потенциала мембраны к исходному уровню.
Фаза гиперполяризации – временное превышение уровня покоя, предшествующее восстановлению потенциала покоя.
Амплитуда потенциала действия заметно превышает амплитуду потенциала покоя – «овершут » (перелёт).
Механизм генерации потенциала действия.
Потенциал действия – результат изменения ионной проницаемости мембраны.
Проницаемость мембраны для ионов натрия – непосредственная функция мембранного потенциала. Если мембранный потенциал понижается, то натриевая проницаемость возрастает.
Действие порогового раздражителя : уменьшение мембранного потенциала до критической величины (критическая деполяризация мембраны) → резкое повышение натриевой проницаемости → усиленный приток натрия в клетку по градиенту → дальнейшая деполяризация мембраны → процесс зацикливается → включается механизм положительной обратной связи. Усиленный приток натрия в клетку вызывает перезарядку мембраны и окончание фазы деполяризации. Положительный заряд на внутренней поверхности мембраны становится достаточным для уравновешивания градиента концентрации ионов натрия. Усиленное поступление натрия в клетку заканчивается, следовательно, заканчивается фаза деполяризации.
P K:P Na:P Cl в состоянии покоя 1: 0,54: 0,045,
на высоте фазы деполяризации: 1: 20: 0,045.
В процессе фазы деполяризации проницаемость мембраны для ионов калия и хлора не меняется, а для ионов натрия – возрастает в 500 раз.
Фаза реполяризации : увеличивается проницаемость мембраны для ионов калия → усиленный выход ионов калия из клетки по градиенту концентрации → Уменьшение положительного заряда на внутренней поверхности мембраны, обратное изменение мембранного потенциала → уменьшение натриевой проницаемости → обратная перезарядка мембраны → уменьшение калиевой проницаемости, замедление оттока калия из клетки.
К концу фазы реполяризации происходит восстановление потенциала покоя. Мембранный потенциал и проницаемость мембраны для ионов калия и натрия возвращается к уровню покоя.
Фаза гиперполяризации : возникает, если проницаемость мембраны для ионов калия ещё повышена, а для ионов натрия уже вернулась к уровню покоя.
Резюме:
Потенциал действия формируется двумя потоками ионов через мембрану. Поток ионов натрия внутрь клетки → перезарядка мембраны. Поток ионов калия наружу → восстановление потенциала покоя. Потоки почти одинаковы по величине, но сдвинуты по времени.
Диффузия ионов через клеточную мембрану в процессе генерации потенциала действия осуществляется по каналам, которые являются высокоселективными, т.е. они обладают большей проницаемостью для данного иона (открытие для него дополнительных каналов).
При генерации потенциала действия клетка приобретает определённое количество натрия и теряет определённое количество калия. Выравнивание концентраций этих ионов между клеткой и средой не происходит благодаря калий-натриевому насосу.
Методы регистрации и экспериментального исследования биопотенциалов .
1. Внутриклеточное отведение.
Один электрод погружают в межклеточную жидкость, другой (микроэлектрод) - вводится в цитоплазму. Между ними – измерительный прибор.
Микроэлектрод представляет собой полую трубку, кончик которой оттянут до диаметра в доли микрона, а пипетка наполнена хлоридом калия. При введении микроэлектрода мембрана плотно охватывает кончик, и повреждения клетки почти не происходит.
Для создания потенциала действия в эксперименте клетка стимулируется надпороговыми токами, т.е. ещё одна пара электродов связана с источником тока. На микроэлектрод подаётся положительный заряд.
С их помощью можно регистрировать биопотенциалы как крупных, так и мелких клеток, а также биопотенциалы ядер. Но наиболее удобным, классическим объектом исследований, являются биопотенциалы крупных клеток. Например,
Nitella ПП 120 мВ (120 * 10 3 В)
Гигантский аксон кальмара ПП 60мВ
Клетки миокарда человека ПП 90 мВ
2. Фиксация напряжения на мембране.
В определённый момент развитие потенциала действия искусственно прерывается с помощью специальных электронных схем.
При этом фиксируется значение мембранного потенциала и величины ионных потоков через мембрану в данный момент, следовательно, есть возможность их измерения.
3. Перфузия нервных волокон.
Перфузия – замена оксоплазмы искусственными растворами различного ионного состава. Таким образом, можно определить роль конкретного иона в генерации биопотенциалов.
Проведение возбуждения по нервным волокнам.
Роль потенциала действия в жизнедеятельности.
Об аксонах.
Кабельная теория проведения.
Направление и скорость проведения.
Непрерывное и сальтаторное проведение.
Роль потенциала действия в жизнедеятельности .
Раздражимость – способность живых клеток под влиянием раздражителей (определённых факторов внешней или внутренней среды) переходить из состояния покоя в состояние активности. При этом всегда меняется электрическое состояние мембраны.
Возбудимость – способность специализированных возбудимых клеток в ответ на действие раздражителя генерировать особую форму колебания мембранного потенциала –потенциал действия .
В принципе возможно несколько видов ответов возбудимых клеток на раздражение, в частности – локальный ответ и потенциал действия.
Потенциал действия возникает, если действует пороговый или надпороговый раздражитель. Он вызывает уменьшение мембранного потенциала до критического уровня. Тогда происходит открытие дополнительных натриевых каналов, резкое увеличение натриевой проницаемости и развитие процесса по механизму положительной обратной связи.
Локальный ответ возникает, если действует подпороговый раздражитель, составляющий 50-70% от порогового. Деполяризация мембраны при этом меньше критической, наступает лишь кратковременное, небольшое увеличение натриевой проницаемости, механизм положительной обратной связи не включается, и потенциал быстро возвращается к исходному состоянию.
В процессе развития потенциала действия возбудимость меняется.
Снижение возбудимости – относительная рефрактерность .
Полная утрата возбудимости – абсолютная рефрактерность .
По мере приближения к уровню критической деполяризации возбудимость повышается, так как для достижения этого уровня и развития потенциала действия становится достаточно и небольшого изменения мембранного потенциала. Именно так меняется возбудимость в начале фазы деполяризации, а также при локальном ответе клетки на раздражение.
При удалении мембранного потенциала от критической точки возбудимость снижается. На пике фазы деполяризации, когда клетка уже не может реагировать на раздражение открытием дополнительных натриевых каналов, наступает состояние абсолютной рефрактерности.
По мере реполяризации абсолютная рефрактерность сменяется относительной; к концу фазы реполяризации возбудимость снова увеличена (состояние «супернормальности»).
Во время фазы гиперполяризации возбудимость снова снижена.
Возбуждение – ответ специализированных клеток на действие пороговых и надпороговых раздражителей – это сложный комплекс физико-химических и физиологических изменений, в основе которого лежит потенциал действия.
Результат возбуждения зависит от того, в какой ткани оно развивалось (где возник потенциал действия).
К специализированным возбудимым тканям относятся :
мышечная
железистая
Потенциалы действия обеспечивают проведение возбуждения по нервным волокнам и инициируют процессы сокращения мышечных и секреции железистых клеток.
Потенциал действия, возникающий в нервном волокне – нервный импульс.
Об аксонах.
Аксоны (нервные волокна) – длинные отростки нервных клеток (нейронов).
Афферентные пути – от органов чувств к ЦНС
Эфферентные пути – от ЦНС к мышцам.
Протяжённость – метры.
Диаметр в среднем от 1 до 100 мкм (у гигантского аксона кальмара – до 1 мм).
По наличию или отсутствию миелиновой оболочки различают аксоны:
миелинизированные (миелиновые, мякотные) – есть миелиновая оболочка
немиелинизированные (амиелиновые, безмякотные) – не имеют миелиновые оболочки
Миелиновая оболочка – окружающая аксон дополнительная многослойная (до 250 слоёв) мембрана, образующаяся при внедрении аксона в шванновскую клетку (леммоцит, олигодендроцит), и многократном наматывании мембраны этой клетки на аксон.
Миелин – очень хороший изолятор.
Через каждые 1-2 мм миелиновая оболочка прерывается перехватами Ранвье , протяжённостью около 1 мкм каждый.
Только в области перехватов возбудимая мембрана контактирует с внешней средой.
Кабельная теория проведения.
Аксон по ряду свойств подобен кабелю: это полая трубка, внутренне содержимое – аксоплазма – проводник (как и межклеточная жидкость), стенка – мембрана – изолятор.
Механизм проведения возбуждения (распространения нервного импульса) включает 2 ступени:
Возникновение локальных токов и распространение волны деполяризации вдоль волокна.
Формирование потенциалов действия на новых участках волокна.
Локальные токи циркулируют между возбужденным и невозбуждённым участками нервного волокна ввиду разной полярности мембраны на этих участках.
Внутри клетки они текут от возбуждённого участка к невозбуждённому. Снаружи – наоборот.
Локальный ток вызывает сдвиг мембранного потенциала соседнего участка, и начинается распространение волны деполяризации по волокну, как тока по кабелю.
Когда деполяризация очередного участка достигает критической величины, происходит открытие дополнительных натриевых, потом калиевых каналов, возникновение потенциала действия.
В разных участках волокна потенциал действия формируется независимыми ионными потоками, перпендикулярными к направлению распространения.
При этом на каждом участке происходит энергетическая подпитка процесса , так как градиенты ионов, идущих по каналам, создаются насосами, работа которых обеспечивается энергией гидролиза АТФ.
Роль локальных токов – лишь инициация процесса путём деполяризации всё новых участков мембраны до критического уровня.
Благодаря энергетической подпитке нервный импульс распространяется вдоль волокна без затухания (с неизменной амплитудой).
Направление и скорость проведения.
Одностороннее проведение нервного импульса обеспечивают:
наличие в нервной системе синапсов с односторонним проведением
свойство рефрактерности нервного волокна, что делает невозможным обратный ход возбуждения
Скорость проведения тем выше, чем более выражены кабельные свойства волокна. Для их оценки применяютконстанту длины нервного волокна :
,
где
D – диаметр волокна
b m – толщина мембраны
- удельное сопротивление мембраны
- удельное сопротивление аксоплазмы
Физический смысл константы : она численно равна расстоянию, на котором подпороговый потенциал уменьшился бы вe раз. С увеличением константы длины нервного волокна увеличивается и скорость проведения.
При пороговой силе раздражения в клетке возникает ПД, существенно отличающийся по форме от ЛО (рис.4,Б,1 V).
Он обладает следующими свойствами:
1) подчиняется закону «всё или ничего», т.е. при достижении КУД клетка отвечает максимальным ответом;
2) способен распространяться на большие расстояниям
3) При его возникновении возбудимость клетки снижается;
4) является ауторегенеративным (самоподдерживающимся) процессом.
Рис.5. А. фаза потенциала действия: 1- деполяризация, 2- реполяризация, 3- следовая реполяризация, 4- следовая гиперполяризация, 5 - овершут, Б - ионные механизмы развития потенциала действия.
Методика регистрации ПД показана на рис.4,А: при этом один микроэлектрод является раздражающим (1), а второй (2) - отводящим ПД.
ПД имеет достаточно сложную структуру; в нём различают следующие
фазы (рис.5,А):
1) фаза деполяризации (ЛО не показан);
2) фаза реполяризации;
3) следовой деполяризационный потенциал;
4) следовой гиперполяризационный потенциал;
5) фаза овершута.
Происхождение этих фаз:
1- во время фазы деполяризации открываются Na + -каналы и ионы натрий лавинообразно входят в клетку (рис.5,Б)
2- во время фазы реполяризации Na + - каналы закрываются, по открываются К + - каналы и он выходит из клетки наружу;
3- во время фазы следовой реполяризации выход К + несколько замедляется;
4- во время следовой гиперполяризации часть К + - каналов открыта и при достижении величины МП калий еще продолжает входить в клетку;
5- фаза овершута (перевёртывания) – в эту фазу цитоплазма клетки заряжена положительно из-за наличия в ней большого количества ионов Na + .
ПД больше не получается, чем МП: его амплитуда получается при алгебраическом сложении амплитуд овершута и МП; на рис.6,А амплитуда ПД составляет 100 мВ, длительность 1 мс.
Физиологическая роль ПД: возбуждение клеток и возникновение в них соответствующих процессов, передача возбуждения в ЦНС, к периферическим структурам.
Изменения возбудимости клетки во время развития ПД.
Периоды рефрактерности, механизмы их происхождения,
Физиологическое значение
В исходном состоянии, когда мембранный потенциал не изменён (рис.6,1;а) возбудимость клетки называется исходной (рис.6,II;а) и составляет 100 %. При возникновении локального ответа (рис.6,I;б), возбудимость клетки повышена (рис.6,II;б). Это связано с уменьшением КУД. При развитии быстрых компонентов ПД (фазы деполяризации и реполяризации - рис.6,I,в) клетка проходит через стадию абсолютной и относительной рефрактерности (рис.6,II,в).
В фазу абсолютной рефрактерности клетка не отвечает на любые, даже сверхсильные раздражения - возбудимость ткани равна нулю. Время этого состояния соответствует длительности фазы овершута (рис.6,I).
В фазу относительной рефрактерности ткань можно возбудить, но более сильными, чем обычно, раздражениями.
Рис.6. Сопоставление фаз потенциала действия (I) с фазами возбудимости (II). а- исходная возбудимость; б- повышенная возбудимость; в- относительная и абсолютная (О) рефрактерность; г - супернормальная возбудимость; д- субнормальиая возбудимость.
Абсолютная рефрактерность связана с инактивацией - каналов и повышением проводи мости для К + - ионов. Фазу относительной рефрактерности: первая - связана с постепенной инактивацией Na + - проводимости, вторая - с повышением К + -проводимости.
В фазу следового деполяризационного потенциала (рис.7, I.г)
возбудимость снова превышает нормальную - т.н. «супернормальная возбудимость» (рис.6,II,г); связана с уменьшением критического уровня деполяризации.
В фазу следовой гиперполяризации (рнс.6,1;д) возбудимость ткани несколько снижена - фаза субнормальной возбудимости (рис.7, II;д). Она снижена из-за повышения КУД.
После восстановления мембранного потенциала (рис.6,1 ;а) нормализуется и возбудимость(рис.7,11 ;а).
Физиологическое значение изменений возбудимости:
1) полностью или почти полностью ограждает возбудимую ткань во время возбуждения от посторонних помех (абсолютная и относительная рефрактерность);
2) повышение возбудимости в фазу ЛО способствует процессам интеграции нейронов в ЦНС;
3) субнормальная возбудимость в фазу следовой гиперполяризации способствует «отдыху» ткани и восстановлению ионных градиентов клеток.
Потенциал действия - электрический импульс, возникающий между внутренней и наружной сторонами мембраны и обусловленный изменениями ионной проницаемости мембраны.
Фазы ПД:
Предспайк - процесс медленной деполяризации мембраны до критического уровня деполяризации.
Спайк (пиковый потенциал) - состоящий из восходящей части (деполяризация мембраны) и нисходящей части (реполяризациия)
Отрицательный следовой потенциал - от критического уровня деполяризации до исходного уровня поляризации мембраны.
Положительный следовой потенциал - увеличение мембранного потенциала и постепенное возвращение его к исходной величине.
Первый период - локальный ответ представляет собой активную местную деполяризацию, возникающую вследствие увеличения натриевой проницаемости клеточной мембраны. Однако при подпороговом стимуле начальное повышение натриевой проницаемости недостаточно велико, чтобы вызвать быструю деполяризацию мембраны. Локальный ответ возникает не только при подпороговом, но и при надпороговом раздражении и является составным компонентом потенциала действия. Таким образом, локальный ответ является первоначальной и универсальной формой реагирования ткани на различные по силе раздражения. Биологический смысл локального ответа состоит в том, что если раздражение мало, то ткань реагирует на него с минимальной тратой энергии, не включая механизмы специфической деятельности. В том же случае, когда раздражение надпороговое, локальный ответ переходит в потенциал действия. Период от начала раздражения до начала фазы деполяризации, когда локальный ответ, нарастая, снижает мембранный потенциал до критического уровня, называется латентным периодом или скрытым периодом. Продолжительность латентного периода зависит от характера раздражения (рис. 3.5.).
Второй период - фаза деполяризации. Эта часть потенциала действия характеризуется быстрым уменьшением мембранного потенциала и даже перезарядкой мембраны: внутренняя ее часть на некоторое время становится заряженной положительно, а внешняя отрицательно. В отличие от локального ответа скорость и величина деполяризации не зависит от силы раздражителя. Продолжительность фазы деполяризации в нервном волокне лягушки составляет около 0.2 - 0.5 мс.
Третий период потенциала действия - фаза реполяризации, ее продолжительность составляет 0.5-0.8 мс. В течение этого времени мембранный потенциал постепенно восстанавливается и достигает 75 - 85% потенциала покоя. В литературе второй и третий периоды часто называют пиком потенциала действия.
Колебания мембранного потенциала, следующие за пиком потенциала действия, называют следовыми потенциалами. Различают два вида следовых потенциалов -следовую деполяризацию и следовую гиперполяризацию, которые соответствуют четвертой и пятой фазе потенциала действия. Следовая деполяризация является продолжением фазы реполяризации и характеризуется более медленным (по сравнению с фазой реполяризации) восстановлением потенциала покоя. Следовая деполяризация переходит в следовую гиперполяризацию, представляющую собой временное увеличение мембранного потенциала выше исходного уровня. В миелинизированных нервных волокнах следовые потенциалы имеют более сложный характер. Следовая деполяризация может переходить в следовую гиперполяризацию, затем иногда возникает новая деполяризация, лишь после этого происходит полное восстановление потенциала покоя.
Ионный механизм возникновения потенциала действия
В основе потенциала действия лежат последовательно развивающиеся во времени изменения ионной проницаемости клеточной мембраны. При действии на клетку раздражителя проницаемость мембраны для ионов Na + резко повышается за счет активации (открывания) натриевых каналов (рис. 3.6.). При этом ионы Na + по концентрационному.
При этом ионы Na + по концентрационному градиенту интенсивно перемещаются из вне - во внутриклеточное пространство. Вхождению ионов Na + в клетку способствует и электростатическое взаимодействие. В итоге проницаемость мембраны для Na + становится в 20 раз больше проницаемости для ионов К + .
Поскольку поток Na + в клетку начинает превышать калиевый ток из клетки, то происходит постепенное снижение потенциала покоя,приводящее к реверсии - изменению знака мембранного потенциала. При этом внутренняя поверхность мембраны становится положительной по отношению к ее внешней поверхности. Указанные изменения мембранного потенциала соответствуют восходящей фазе потенциала действия (фазе деполяризации)
Мембрана характеризуется повышенной проницаемостью для ионов Na + лишь очень короткое время 0.2 - 0.5 мс. После этого проницаемость мембраны для ионов Na + вновь понижается, а для К + возрастает. В результате поток Na + внутрь клетки резко ослабляется, а ток К + из клетки усиливается (рис. 3.7.).
В течение потенциала действия в клетку поступает значительное количество Na + , а ионы К + покидают клетку. Восстановление клеточного ионного баланса осуществляется благодаря работе Na + ,К + - АТФазного насоса, активность которого возрастает при повышении внутренней концентрации ионов Na + и увеличении внешней концентрации ионов К + . Благодаря работе ионного насоса и изменению проницаемости мембраны для Na + и К + первоначальная их концентрация во внутри - и внеклеточном пространстве постепенно восстанавливается.
Итогом этих процессов и является реполяризация мембраны: внутреннее содержимое клетки вновь приобретает отрицательный заряд по отношению к внешней поверхности мембраны.