Изменение мембранного потенциала

В состоянии покоя между наружной и внутренней поверхностями мембраны клетки существуют разность потенциалов, которая называется мембранным потенциалом (МП). МП нервной и мышечной клетки остается постоянным в течение длительного времени, если только клетка не активируется какими-либо внешними воздействиями. Мембранный потенциал такой покоящейся клетки называют потенциалом покоя.

Все клетки имеют мембранный потенциал; в мышечных клетках млекопитающих его уровень составляет около -90мВ. В зависимости от условий и относительных концентраций ионов клетки могут иметь МП в пределах от -40 до -120мВ (в некоторых источниках от -50 до -90 мВ.).

Когда клетка (волокно) находится в состоянии покоя, внутренняя сторона мембраны заряжена отрицательно по отношению к наружному, условно принимаемому за нуль. (Б.Шмидт, 1996).

Возникновение разности потенциалов обусловлено высокой проводимостью клеточной мембраны в состоянии покоя для ионов К+ (для мышечных клеток и ионов Cl-), ионной асимметрией концентраций для ионов К+ (для мышечных клеток и ионов Cl-), работы систем активного транспорта, которые создают и поддерживают ионную асимметрию. (Покровский, 1997).

Чтобы измерить потенциал покоя и проследить его изменения вызываемые тем или иным воздействием на клетку, применяют технику внутриклеточных микроэлектродов. Использование внутриклеточных микроэлектродов позволяет количественно охарактеризовать изменения мембранного потенциала во время восходящей и нисходящей фаз потенциала действия.

Рис. 3 Измерение потенциала покоя мышечного волокна с помощью внутриклеточного микроэлектрода (схема). М — микроэлектрод; И — индифферентный электрод (хлорированная серебряная пластинка)

Луч на экране осциллографа (У) показывает, что до прокола мембраны микроэлектродом разность потенциала между М и И была равна нулю. В момент прокола (показан стрелкой) обнаружена разность потенциалов, указывающая, что внутренняя сторона мембраны заряжена электроотрицательно по отношению к ее наружной поверхности.

Как только микроэлектрод прокалывает поверхностную мембрану клетки, луч осциллографа сразу же отклоняется от своего исходного (нулевого) положения (т.е., происходит скачкообраный сдвиг потенциала, примерно до -80мВ), обнаруживая тем самым существование разности потенциалов между поверхностью и содержимым клетки.

Существует множество факторов, меняющих потенциал покоя клеток: приложение электрического тока, изменение ионного состава среды, воздействие некоторых токсинов, нарушение кислородного снабжения ткани.

Если раздражать нейрон через электрод, находящийся в цитоплазме, кратковременными импульсами деполяризирующего электрического тока различной величины, то, регистрируя через другой электрод изменения МП, можно наблюдать следующие биоэлектрические реакции: электротонический потенциал, локальный ответ и потенциал действия (рис. 3).

Рис. 4 Изменение мембранного потенциала под влиянием деполяризующих и гиперполяризующих раздражений: а — электротонический потенциал; б — локальный ответ; в — потенциал действия; ггиперполяризация; драздражения

Если наносятся раздражения, величина которых не превышает 0,5 величины порогового раздражения, то деполяризация мембраны наблюдается только во время действия раздражителя. Это пассивная электротоническая деполяризация. Развитие и исчезновение электротонического потенциала определяется параметрами раздражающего тока, а также свойствами мембраны. Во время развития электротонического потенциала проницаемость мембраны для ионов практически не изменяется.

Локальный ответ. При увеличении амплитуды и подпороговых раздражений от 0,5 до 0,9 пороговой величины развития деполяризации мембраны происходит не прямолинейно, а по S-образной кривой. Деполяризация продолжает нарастать и после прекращения раздражения, а затем сравнительно медленно исчезает. Это процесс получил название локального ответа. Локальный ответ имеет следующие свойства: 1) возникает под действием подпороговых раздражителей; 2) находится в градуальной зависимости от силы стимула; 3) локализуется в месте действия раздражителя и не способен к распространению на большие расстояния; 3) может распространяться лишь локально, при этом амплитуда быстро уменьшается 4) локальные ответы способны суммироваться, что приводит к увеличению деполяризации мембраны. В период развития локального ответа возрастает поток ионов натрия в клетку, что повышает возбудимость. Локальный ответ близок таким явлениям, как процесс местного нераспростаняющегося возбуждения и возбуждающего постсинаптического потенциала (ВПСП), который возникает под влиянием деполяризующего действия возбуждающих медиаторов.

Мембранный потенциал действия Если на нерв или мышцу нанести раздражение выше порога возбуждения, то происходит кратковременное изменение МПП, происходящее при возбуждении клетки и называется мембранным потенциалом действия (МПД). (Ткаченко, 1994).

Рис. 5 Схематичное изображение потенциалов действия в различных тканях млекопитающих

Ордината: амплитуда внутриклеточного МП; абсцисса: время после начала потенциала действия. Временная шкала для каждого ПД различна Типичные примеры потенциала действия в различных тканях представлена на рисунке 5. Во всех этих случаях потенциал резко нарастает от отрицательных значений потенциала покоя до положительного пика, составляющего примерно +30 мВ. Затем потенциал с различной скоростью возвращается к уровню покоя; длительность потенциала действия составляет около 1 мс в нервах, 10 мс в скелетной мышце и более 200 мс в миокарде. (Б.Шмидт, 1996).

Рассмотрим подробнее фазы ПД. Потенциал действия возникает на мембранах возбудимых клеток под влиянием раздражителя пороговой или сверхпороговой величины, который увеличивает проницаемость мембраны для ионов натрия. Ионы натрия начинают входить внутрь клетки, что приводит к уменьшению величины МП — деполяризация мембраны (фаза нарастания, которая продолжается всего лишь 0,2—0,5 мс.) При уменьшении МП до критического уровня деполяризации открываются потенциалозависимые каналы для натрия и проницаемость мембраны для этих ионов увеличивается в 500 раз (превышая проницаемость для ионов калия в 20 раз). В результате проникновения ионов натрия в цитоплазму и взаимодействия с анионами разность потенциалов на мембране исчезает, а затем происходит перезарядка клеточной мембраны (инверсия заряда, овершут) — внутренняя поверхность мембраны заряжается положительно по отношению к наружной (на 30−50 мВ), после чего закрываются натриевые каналы и открывается потенциалозависимые калиевые каналы. В результате выхода калия из клетки начинается процесс восстановления исходного уровня МПП — реполяризация мембраны. (Агаджанян Н.А., 2001).

Фаза реполяризация МПД в некоторых клетках (например, в кардиомиоцитах и ряде гладкомышечных клеток) может замедляться, обусловленное сложными изменениями во времени входящих и выходящих токов через мембрану. В последствии МПД может возникнуть гиперполяризация или/и деполяризация мембраны. Это так называемые следовые потенциалы. Следовая гиперполяризация имеет двоякую природу: ионную и метаболитическую. Первая связана с тем, что калиевая проницаемость в нервном волоке мембраны остается некоторые время (десятки и даже сотни миллисекунд) повышенной после генерации МПД и смещает МП в сторону калиевого равновесного потенциала. Следовая гиперполяризация после ритмической стимуляции клеток связана преимущественно с активацией электрогенного натриевого насоса, вследствие накопления ионов натрия в клетке.

Причиной деполяризации, развивающейся после генерации МПД, является накопление ионов калия у наружной поверхности мембраны. Это ведет к увеличению МПП.

Таким образом, в основе возбуждения (генерации ПД) лежит повышение проводимости мембраны для натрия, вызываемое ее деполяризацией до порогового (критического уровня). (Ткаченко, 1994).

Итак, в потенциале действия (как показано на рисунке 4) различают следующие фазы:

• 1. Предспайк — процесс медленной деполяризации мембраны до критического уровня деполяризации (местное возбуждение, локальный ответ).
• 2. Пиковый потенциал, или спайк, состоящей из восходящей части (деполяризации мембраны) и нисходящий части (реполяризация мембраны).
• 3. Отрицательный следовый потенциал — от критического уровня деполяризации до исходного уровня поляризации мембраны (следовая деполяризация).
• 4. Положительный следовый потенциал — увеличение МП и постепенное возвращение его к исходной величине (следовая гиперполяризация). (Агаджанян Н.А., 2001)

Рис. 6 Изменение мембранного потенциала

Причина роста МПД и реполяризация мембраны: а) уменьшается сила, толкающая натрий внутрь клетки; б) деполяризация мембраны порождает процесс инактивации натриевых каналов, который тормозит рост натриевой проницаемости мембраны и ведет к ее снижению; в) деполяризация мембраны увеличивает ее проницаемость для ионов калия. Выходящий калиевый ток стремится сместить МП в сторону калиевого равновесного потенциала.

Снижение электрохимического потенциала для ионов натрия и инактивации натриевых каналов уменьшает величину входящего натриевого тока. В определенный момент времени величина входящего тока натрия сравнивается с возросшим выходящим током — рост МПД прекращается. Когда суммарный выходящий ток превышает входящий, начинается реполяризация мембраны. Начавшаяся реполяризация ведет к закрыванию активационных ворот, что уменьшает натриевую проницаемость мембраны, ускоряет реполяризацию, а последняя увеличивает число закрытых каналов. (Ткаченко, 1994).