Механизмы генерации потенциала действия

Кроме постоянно существующего в клетке «тока повреждения» — потенциала покоя Дюбуа-Реймоном были обнаружены при электрическом раздражении нерва быстрые колебания «тока повреждения», направленные в сторону его уменьшения. С помощью высокочувствительного гальванометра Бернштейну удалось приблизительно определить, как протекают во времени быстрые колебания потенциала, получившие в дальнейшем в отличие от потенциала покоя название потенциала действия. Длительность потенциала действия составляла тысячные доли секунды (мс).

Революционное значение имело использование в физиологическом эксперименте в начале 30-х годов XX в. Эрлангером и Гассером безынерционного регистрирующего прибора — электронного катодного осциллографа, включающего в себя электронный усилитель. Измерения с помощью катодного осциллографа показали, что в нервных волокнах возникают потенциалы действия, длительность которых у теплокровных животных составляет 0,4…2 мс. Определенные методические трудности возникли с измерением истинной амплитуды потенциала действия. Напомним, что согласно Бернштейну клеточная мембрана в состоянии возбуждения теряет избирательную проницаемость к какому-либо иону и становится в равной мере проницаемой для всех ионов, при этом потенциал покоя снижается до нуля. В начальных экспериментах из-за несовершенства методов работы с одиночными нервными волокнами и клетками измерения амплитуды потенциалов действия даже с использованием электронных усилителей и осциллографа давали не;

Рис. 2.9. Изменение мембранного потенциала нервной клетки при возбуждении:

А — схема установки для электрического раздражения и регистрации мембранного потенциала: /, 2— раздражающие электроды; 3, регистрирующие электроды; стрелками показано направление раздражающего электрического тока, деполяризующего (д) и гиперполяризующего (г) нервную мембрану; Б — изменение мембранного потенциала нервной клетки: / — локальный ответ, 2— деполяризация мембраны (исчезновение заряда мембраны с последующей се перезарядкой); J—рсполяризация мембраны; следовая гиперполяризация; 5—критический уровень деполяризации (порог возникновения потенциала действия); внизу — отметка стимулирующего тока; отклонение вверх — деполяризующий ток, отклонение вниз— гиперпо;

ляризуюший ток однозначные результаты, причем во всех случаях величина потенциала действия не превышала нескольких милливольт, что согласовывалось с положением Бернштейна. Усовершенствование методов исследования, и в частности применение внутриклеточной регистрации потенциалов с помощью микроэлектродов, показало, что амплитуда потенциала действия больше, чем потенциала покоя.

Рисунок 2.9 иллюстрирует изменение мембранного потенциала нервной клетки при возбуждении. Для измерения мембранного потенциала применили систему с микроэлектродом, введенным внутрь клетки, соединенным с электронным усилителем и катодным осциллографом. Клетку возбуждали кратковременными импульсами электрического тока различной полярности, подводимых с помощью микроэлектрода. В покое мембранный потенциал имеет отрицательный знак внутри клетки. Когда через мембрану клетки пропускают от внешнего источника кратковременный электрический ток, направленный внутрь клетки, мембранный потенциал увеличивается в соответствии с приложенной силой тока за счет накопления дополнительных зарядов на поверхности мембраны. На рисунке видно отклонение исходного уровня потенциала мембраны вниз. Если отрицательный потенциал на мембране увеличивается, то мембрана гиперполяризуется. После выключения тока потенциал возвращается к исходному уровню — мембрана реполяризуется. При пропускании электрического тока, направленного из клетки, мембранный потенциал снижается вследствие уменьшения зарядов на поверхности мембраны — мембрана деполяризуется. Однако в отличие от гиперполяризации при деполяризации мембраны, начиная с некоторых значений, мембранный потенциал после выключения деполяризующего тока восстанавливается не сразу, а продолжает некоторое время увеличиваться. Время спада замедляется, и на нисходящей части появляется своеобразный «горб» (см. рис. 2.9, Б). Данная реакция клетки названа локальным ответом. При дальнейшем увеличении силы тока локальный ответ становится более выраженным и, наконец, при достижении определенной силы тока, называемой пороговой, мембранный потенциал начинает стремительно падать до нулевого значения, а затем увеличивается в сторону положительного значения, т. е. внутренняя часть клеточной мембраны становится электроположительной. Достигнув определенной амплитуды, мембранный потенциал начинает снижаться несколько медленнее, чем в своей восходящей части. Перейдя нулевое значение, он возвращается к исходному, но не остается на этом уровне, а продолжает еще некоторое время падать до нового значения, более электронегативного, чем первоначальный потенциал покоя. Затем сравнительно медленно возвращается к исходному уровню (см. рис. 2.9, 5).

Длительность изменения мембранного потенциала — потенциала действия в части, превышающей исходную величину потенциала покоя, составляет у различных нервных клеток позвоночных животных 0,5…2 мс. Длительность же части, находящейся ниже первоначального уровня потенциала покоя, может быть в.

2…3 раза больше длительности восходящей части потенциала действия. Следует отметить, что при вариациях раздражающего тока, имеющего амплитуду выше порогового значения, величина потенциала действия во всех случаях имела одинаковую амплитуду. Таким образом, при достижении порогового значения дальнейшая деполяризация мембраны, отвечающая за фазу подъема потенциала действия, становится лавинообразно нарастающей, самоусиливающейся (регенеративной) и не зависит уже от силы раздражающего электрического стимула, т. е. генерация потенциала действия происходит по принципу «все или ничего». Как увидим в дальнейшем, это свойство имеет чрезвычайно важное значение для эффективного и надежного распространения в нервной системе возбуждения на большие расстояния.

Рассмотрим механизмы генерации потенциала действия.

В предыдущем разделе мы разбирали природу мембранного потенциала в покоящейся клетке и выяснили, что каждый ион соответственно концентрации и проницаемости через мембрану вносит определенный вклад в величину мембранного потенциала — потенциала покоя. При высокой проницаемости мембраны для определенных ионов они могут стать главными потенциалобразующими ионами. В большинстве случаев главными потенциалобразуюшими ионами в состоянии покоя являются ионы калия с равновесным потенциалом — 100 мВ. Вследствие того что для ионов натрия соотношение вне/внутриклеточной концентрации является противоположным таковому для ионов калия, равновесный потенциал для них будет со знаком «плюс» и составит 60 мВ. Однако из-за низкой проницаемости мембраны к ионам натрия они смещают мембранный потенциал в положительную сторону (деполяризуют) в пределах 10 мВ. При возбуждении мембранный потенциал на короткое время становится положительным, т. е. имеет знак равновесного потенциала для ионов натрия (см. рис. 2.9). Такая ситуация может быть при условии, что проницаемость мембраны увеличится для ионов натрия и будет намного превышать в это время проницаемость для ионов калия.

Действительно, проведенные в конце 30-х годов XX в. К. Коулом и Г. Кертисом опыты по измерению проницаемости, а точнее — проводимости нервной мембраны во время генерации потенциала действия четко продемонстрировали ее значительное увеличение. Стоит указать, что при проведении электрофизиологических опытов чаще всего оперируют термином «ионная проводимость». Несмотря на то что «ионная проводимость» и «ионная проницаемость» не одно и то же, эти свойства мембраны тесно связаны между собой и имеют одинаковую размерность — см/с. Проводимость мембраны служит мерой ее ионной проницаемости. Чем выше проводимость, тем больше ионов может пересечь мембрану за единицу времени по ионным каналам под действием электрической силы — разности потенциалов. В пользу генерации потенциалов действия за счет ионов натрия свидетельствовали также и результаты экспериментов с вариацией во внешней среде ионов натрия. При частичной замене ионов натрия на другие одновалентные ионы, например ионы холина, амплитуда потенциалов действия уменьшалась, а при полной замене потенциалы действия не генерировались в ответ на электрическое раздражение.

Существенный вклад в развитие «натриевой гипотезы» генерации потенциалов действия внесли классические работы А. Ходжкина, А. Хаксли и Б. Катца. Ими было показано, что проводимость мембраны для ионов натрия зависит от величины мембранного потенциала. Сделать это удалось с введением в начале 50-х годов XX в. в практику физиологического эксперимента методики, позволяющей с высокой точностью фиксировать потенциал на мембране на различных значениях. Эта методика была сначала использована для измерения ионных токов на так называемых «гигантских» нервных волокнах головоногих моллюсков — кальмарах и каракатицах, которые имеют действительно чрезвычайно большой диаметр — 1,5…2 мм, тогда как максимальный диаметр отдельных нервных волокон у позвоночных животных 0,01…0,015 мм. Затем различные модификации этой методики были успешно применены на отдельных нервных клетках и волокнах позвоночных животных.

При обычной методике электрического раздражения и регистрации потенциалов действия не удается проследить динамику ионного тока через мембрану в зависимости от величины мембранного потенциала, поскольку после превышения порогового значения процесс изменения мембранного потенциала становится взрывоподобным, неуправляемым (см. рис. 2.9). Согласно новой методике мембранный потенциал фиксируется с помощью электронной системы обратной связи (усилителя обратной связи). Его можно изменять на строго определенную величину, но при этом возникновение регенеративного взрывоподобного изменения не происходит. Согласно закону Ома напряжение на мембране ?_м, ее проводимость G и сила ионного тока /, проходящего через мембрану, связаны соотношением.

Таким образом, если напряжение на мембране поддерживается постоянным, то изменение тока будет однозначно связано с изменением проводимости мембраны, которое, в свою очередь, обусловлено активированием (открыванием) или инактивированием (закрыванием) ионных каналов. При помощи усилителя обратной связи мембранный потенциал сравнивается с потенциалом, который мы задаем на мембране. Любое отклонение мембранного потенциала от заданного усиливается усилителем обратной связи, и на его выходе возникает управляющий ток. Этот ток течет через электроды, находящиеся по обе стороны мембраны, в таком направлении, что мембранный потенциал вновь становится равным заданному. Ток от усилителя обратной связи можно легко измерить, причем он будет равен по величине току, проходящему через каналы при соответствующем напряжении на мембране.

Каким же образом будет изменяться ток через мембрану нервного волокна при различных фиксированных значениях потенциала? Будем изменять мембранный потенциал в той же последовательности, как это делалось в опытах без фиксации напряжения Рис. 2.10. Ионный ток через нервную мембрану при различных фиксированных' значениях мембранного потенциала

Исходное значение мембранного потенциала 60 мВ. Мембранный потенциал смешается и поддерживается в течение 2мс с помощью усилителя обратной связи на установленном уровне — показано пунктирной горизонтальной линией. Ионный ток в соответствии со значением мембранного потенциала имеет определенную форму. Для каждого значения мембранного потенциала кривая ионного тока — непрерывная линия, наложенная на прерывистую прямую. Стрелками вниз показано направление входящего ионного тока, стрелкой вверх — выходящего ионного тока.

(см. рис. 2.9). Начнем с гиперполяризации мембраны (стимулы этой полярности не вызывают генерацию потенциала действия). При смещении мембранного потенциала в отрицательную сторону через мембрану начинает течь небольшой ток, направленный внутрь и сохраняющийся в течение всего времени гиперполяризации (рис. 2.10). Такой же ток течет через мембрану и при ее деполяризации, если величина деполяризации не превышает пороговой величины для возникновения потенциала действия. При превышении этой величины ионный ток через мембрану имеет большую величину и более сложное изменение во времени. Вначале кривая отклоняется вниз, что соответствует возникновению входящего внутрь клетки тока. Достигнув максимума при данном значении напряжения на мембране, ток начинает уменьшаться до нуля. Длительность этой части тока составляет 1…2мс. При достижении нулевого значения ток начинает увеличиваться в противоположную сторону и затем выходит на плато. Дальнейшее увеличение фиксированного деполяризующего напряжения на мембране сопровождается сначала увеличением максимальной величины входящего ионного тока. Затем его амплитуда начинает уменьшаться, а при напряжении на мембране около +60 мВ входящий ток сначала становится равным нулю и далее меняет свое направление на выходящий.

Были проведены опыты, аналогичные экспериментам по влиянию замены ионов натрия на ионы холина на амплитуду потенциалов действия. Оказалось, что при замене в окружающей среде ионов натрия на ионы холина входящий ток исчезал. При этом выходящий ток оставался неизменным. Если нервное волокно вновь оказывалось в среде с нормальной концентрацией ионов натрия, то входящий ионный ток восстанавливался. Это свидетельствовало в пользу того, что входящий ток обусловлен входом ионов натрия через мембрану в клетку. В пользу данного положения указывает также и изменение направления входящего тока при значениях мембранного потенциала, превышающих равновесный потенциал для ионов натрия. Как уже говорилось, отклонение равновесного потенциала для ионов натрия, вычисленного по уравнению Нернста, ?_Na = +60 мВ от мембранного потенциала в покое К_м = - 90 мВ составляет ?_Na — = 60 — (- 90) = 150 мВ.

Согласно закону Ома /_Na = Сгм_а(?^_а— У_м). Следовательно, при смещении мембранного потенциала в сторону равновесного натриевого потенциала разность между равновесным натриевым потенциалом и мембранным потенциалом будет уменьшаться и согласно формуле будет уменьшаться входящий натриевый ток (/_Na). При значениях ?_Na = К_м ток будет равен нулю, а при V_M > ?_Na разность ?_Na — V_M изменит знак, соответственно изменит знак (т. е. направление) и натриевый ток, он станет выходящим.

Ходжкиным и Хаксли была также исследована и природа выходящего (задержанного) ионного тока. В опытах с радиоактивными ионами калия было показано, что задержанный ток переносится ионами калия. В дальнейшем было обнаружено, что задержка с появлением выходящего калиевого тока при деполяризации мембраны связана с относительно медленным открыванием калиевых каналов; натриевые каналы реагируют на деполяризацию значительно быстрее.