Природа потенциала действия

Потенциал действия, разновидность биопотенциала, возникающего на мембране электровозбудимых клеток в ответ на раздражение электрическим полем, химическим или другим стимулом. При этом мембрана возбудимой клетки способна увеличивать свою проницаемость к ионам натрия, калия, кальция.

Генерация потенциала действия имеет двухфазную циклическую природу. В первой фазе возбуждения происходит реверсия (изменение знака) электрического заряда на мембране — потенциал сдвигается от обычно имеющегося в покое уровня порядка -50 — -90 мВ, до +20 — +40 мВ. Во второй фазе происходит восстановление исходного состояния мембраны, то есть и заряд, и потенциал на мембране быстро возвращаются к исходным значениям, характерным для состояния покоя клетки.

Для объяснения природы токов, вызывающих быструю электрическую перезарядку мембраны, а затем возврат и заряда, и потенциала на мембране к исходным значениям, в 1949;51 годах английскими физиологами А. Л. Ходжкиным и А. Ф. Хаксли была предложена так называемая «натриевая гипотеза». Используя чрезвычайно удобный для экспериментов гигантский аксон кальмара, ученые показали, что электрический стимул отрицательной полярности, приложенный к мембране аксона, вызывает на ней кратковременное (в течение нескольких миллисекунд) и значительное (в 20−100 раз) повышение проницаемости к ионам натрия (первая фаза потенциала действия). Ионы натрия начинают быстро входить в клетку, так как их содержание в 30−40 раз выше в наружной среде по сравнению с цитоплазмой. Вход Na+ не только нейтрализует отрицательный заряд, имеющийся исходно на внутренней стороне мембраны, до нуля, но и перезаряжает ее до положительных значений порядка +20 — +40 мВ. Затем Na-проницаемость самопроизвольно снижается до исходных низких значений. Во вторую фазу потенциала действия резко возрастает проницаемость мембраны к ионам калия, концентрация которых в 30−40 раз выше в цитоплазме клетки, чем в наружной среде, и они выходят из клетки по концентрационному градиенту, вынося положительные заряды и способствуя их накоплению на наружной стороне мембраны. Это сопровождается одновременным накоплением анионов на внутренней поверхности мембраны и реполяризацией мембраны вплоть до исходных значений заряда и потенциала (возвращение к состоянию покоя). Ходжкин и Хаксли предположили, что на мембране возбудимых клеток существуют специальные молекулы — каналы, предназначенные для пропускания ионов натрия и калия через мембрану (см. Ионные каналы). Эти каналы в покое неактивны (закрыты), но активируются на короткое время в ответ на действие раздражителя (электрического стимула). Ученым удалось описать проводимость мембраны к ионам натрия и калия во время генерации потенциала действия как функцию потенциала и времени с помощью серии дифференциальных уравнений и, таким образом, смоделировать натриевые и калиевые токи, текущие через мембрану при генерации потенциала действия. Ими были предсказаны и важнейшие свойства ионных каналов мембраны.

Важнейшими условиями для открывания натриевых каналов и генерации потенциал действия является деполяризация клетки до определенного уровня, называемого критическим, или «пороговым». Только по достижении «пороговой» величины мембранного потенциала (порядка -50 — -30 мВ) происходит открывание натриевых, а затем и калиевых каналов, и начинается генерация потенциала действия. Другой важнейшей особенностью генерации потенциала действия является существование короткого периода абсолютной и относительной невозбудимости мембраны: в короткий период порядка 1−2 мс после прекращения генерации потенциала действия не удается вызвать новую генерацию потенциала действия. Этот период кратковременной нечувствительности мембраны, называемый рефрактерным периодом, определяется инактивированным состоянием натриевых каналов во вторую, реполяризационную фазу генерации потенциала действия. Ионные каналы вновь приобретают способность открываться в ответ на пороговую деполяризацию лишь после возвращения мембранного потенциала к уровню потенциала покоя.

Способность генерировать потенциал действия свойственна лишь определенным, хотя и функционально различным клеткам организма, которые называют возбудимыми: всем видам нейронов, мышечных клеток и мышечных волокон, рецепторным клеткам органов чувств и железистым клеткам (гипофиза, надпочечников и др).

Генерация потенциала действия является не внешним проявлением, а самой сутью феномена возбуждения клетки. Именно с помощью потенциала действия нейроны получают, перерабатывают и передают биологически важную информацию из внешней среды, а также от одной клетки к другой, а мышечные клетки начинают сокращаться, а значит, обеспечивается двигательная активность органов, стенки которых состоят из возбудимых гладкомышечных клеток: сердца, сосудов, пищеварительного тракта. В железистых клетках потенциал действия запускает процесс секреции.

В отличие от аксонов и скелетных мышечных волокон, у большинства возбудимых клеток (нейронов, клеток сердечной мышцы и др.) в первой и второй фазе генерации потенциала действия существенное значение имеет участие наряду с натриевым и кальциевых входящих токов. Вторая фаза потенциала действия у них, как правило, обусловлена не одним, а целым семейством взаимодействующих калиевых, кальциевых и других токов. Амплитуда потенциала действия у каждой клетки является строго постоянной величиной; у разных типов клеток она колеблется незначительно и составляет по абсолютной величине порядка 90−110 мВ. Значительно более вариабельной является длительность потенциала действия, которая у разных типов возбудимых клеток может различаться на два порядка. Так, самыми кратковременными являются потенциал действия крупных миелинизированных аксонов двигательных нейронов (2−3 мс), а также скелетных мышечных волокон (3−4 мс). У клеток миокарда человека длительность потенциала действия на два порядка больше и составляет 300−400 мс, так как здесь во время генерации второй, длительной фазы потенциала действия в мышечную клетку поступают ионы кальция, необходимые для запуска сокращения: чем больше длительность каждого потенциала действия, тем больше сила сокращения сердца. В гладкомышечных клетках потенциалы действия возникают не всегда, и их длительность, в зависимости от типа клетки может составлять 10−30 мс (в клетках желудочно-кишечного тракта). Здесь сила сокращения мышцы зависит не от длительности потенциала действия, а от частоты генерации серии потенциалов (чем чаще один потенциал действия следует за другим, тем больше кальция поступает в клетки, и тем сильнее сокращение и выше тонус гладкой мышцы).

Уникальным свойством потенциала действия является тот факт, что, возникая в одной точке на мембране возбудимой клетки, он способен без затухания в виде бегущей волны распространяться по всей поверхности клетки, включая ее отростки. Потенциал действия, распространяющийся от тела нервной клетки по ее длинному отростку — аксону — носит название нервного импульса.

Потенциал действия и колебания потенциала покоя лежат в основе возбуждения и торможения у животных и человека и раздражимости у растений. Изменения амплитуды и длительности потенциала действия могут носить как функциональный, так и патологический характер. Исследования суммарных потенциалов действия клеток и органов применяют с диагностическими целями (электрокардиография, электроэнцефалография, электромиография).