Физиология возбудимых тканей: механизмы образования потенциалов покоя и действия

Особенности строения клеточной мембраны возбудимых клеток (нервных и мышечных) и наличие в ней транспортной системы с избирательным накоплением одних ионов внутри клетки и выведением других ионов в межклеточную среду ведет к возникновению разности концентраций ионов на мембране. Поскольку ионы являются электрически заряженными частицами, разность концентраций на наружной и внутренней мембране вызывает возникновение электрического напряжения (потенциала). В результате на мембране нервной клетки формируется электрохимическая разность потенциалов (электрохимический градиент), а собственно мембрана становиться своеобразным биологическим конденсатором. Разность электрических потенциалов между наружной и внутренней поверхностями мембраны, в невозбужденном состоянии, называется потенциалом покоя. В формировании электрической разности на мембране в состоянии покоя преимущественное значение имеет транспорт ионов калия. Используя метод меченных изотопов (42К) было установлено, что не менее 90% внутриклеточного калия свободно диффундирует и перемещается через мембрану клетки. Учитывая то, что внутри клетки концентрация ионов калия в 10−20 раз больше, чем снаружи, происходит диффузия этих ионов, которая определяет формирование мембранного потенциала (биопотенциала мембраны). Напомним, что ионы калия беспрепятственно покидают клетку по градиенту концентрации. В результате чего внутри клетки возникает недостаток этих ионов, а снаружи избыток. Полному выходу ионов калия препятствует отрицательный заряд на внутренней поверхности мембраны (притягивает ионы калия) и положительный заряд на наружной поверхности мембраны (отталкивает ионы калия). Восстановление внутриклеточной концентрации ионов калия происходит также в результате активного транспорта, посредством работы транспортной системы — фермента Na, K-ATФ-азы, которая откачивает ионы натрия из клетки и закачивает ионы калия в клетку за счет энергии гидролиза молекул АТФ.

Когда концентрационный и электрический градиенты ионов калия уравновесятся, число выходящих из клетки ионов сравнивается с числом входящих ионов в клетку, на клеточной мембране устанавливается так называемый равновесный потенциал мембраны. Равновесный потенциал для иона калия можно рассчитать по уравнению Нернста.

цмПП = RT/FZ · ln ([K+]н / [К+]в) (1).

ион мембрна клетка где [K+]н и [K+]в — молярные концентрации ионов по обе стороны мембраны, R — универсальная газовая постоянная (8,31 Дж/(моль · К)), Т — температура, градусы Кельвина (T=273+t), F — постоянная Фарадея (96 500 Кл/моль), Z — заряд иона.

Равновесный потенциал для иона калия составляет -70 мВ, а для иона натрия +55 мВ. Поскольку ионы натрия стремятся и проникают в некотором количестве в клетку, они уменьшают суммарный заряд мембраны в состоянии покоя, нейтрализуя отрицательно заряженные частицы внутри клетки. Вход ионов натрия внутрь покоящейся клетки понижает мембранный потенциал покоя. Определенное значение имеют ионы хлора, которые по концентрационному градиенту стремятся в клетку, но из-за электрического градиента проникают туда в небольшом количестве. Поэтому внутриклеточная концентрация ионов хлора значительно меньше внеклеточной концентрации. Поступление ионов хлора внутрь клетки увеличивает суммарный отрицательный заряд на внутренней мембране, который образуют крупные белковые молекулы цитоплазмы.

Вход ионов хлора внутрь покоящейся клетки повышает мембранный потенциал покоя. Определенную роль в формировании мембранного потенциала покоя играют поверхностные заряды клеточной мембраны и ионы кальция. Суммарный поверхностный заряд создают полярные молекулы билипидного слоя, вместе они понижают мембранный потенциал. Положительные ионы кальция взаимодействуют с наружными зарядами мембраны, нейтрализуют их и стабилизируют потенциал покоя нервной клетки. В результате потенциал покой представляет собой алгебраическую сумму всех электрических зарядов ионов вне и внутри клетки, а также сумму отрицательных зарядов внешних и внутренних поверхностных зарядов самой мембраны.

Помимо постоянной диффузии ионов по электрохимическому градиенту важную роль в формировании потенциала покоя мембраны нервной клетки играю ионные насосы, прежде всего натрий-калиевый насос. Он обеспечивает поддержание ассиметричного градиента концентрации ионов натрия и калия. Натрий-калиевый насос обеспечивает сопряженный транспорт двух ионов калия внутрь клетки и выведение трех ионов натрия из клетки за счет расщепления одной молекулы АТФ. Ассиметричный перенос ионов натрия и калия поддерживает избыток положительных ионов на внешней поверхности мембраны и увеличивает потенциал покоя на 5−10 мВ. Таким образом, учитывая все факторы формирования электрического заряда на мембране нервной клетки, величина потенциала покоя составляет от -60 до -80 мВ относительно нулевого потенциала внешней среды.

В конце XVIII века Луиджи Гальвани открыл электрическую природу нервного импульса, он установил, что мышечное сокращение конечностей препарированной лягушки могут вызывать раздражения электрическим током, а сама живая ткань является источником электрического импульса. В начале XIX века утвердилось представление о том, что электрический ток распространяется по нервным волокнам как по проводам. Однако Гельмгольцем во второй половине XIX века было показано, что скорость распространения нервного импульса в 3 млн. раз меньше, чем скорость распространения электрического импульса по проводам. Поэтому к концу XIX века гипотеза электрической природы нервного импульса была отвергнута. Только к середине XX века в работах лаборатории английского физиолога А. Ходжкина было найдено экспериментальное подтверждение того, что нервный импульс представляет собой импульс электрического тока. За это открытие в 1963 году Ходжкин, Хаксли и Иклс получили Нобелевскую премию по медицине.

Опыт по исследованию нервного импульса ученые проводили на гигантском аксоне кальмара методом микроэлектродов, которые вводились в аксон нейрона. Было установлено, что введя внутрь клетки микроэлектрод, соединенный с регистрирующей установкой мгновенно (скачком) возникает некоторый постоянный электроотрицательный потенциал по отношению к электроду, расположенному в окружающей клетку жидкости. Величина разности этих потенциалов у нервных клеток и волокон, например гигантских нервных волокон кальмара, составляет около -70 мВ. Эту величину называют мембранным потенциалом покоя (МПП). Во всех точках аксоплазмы этот потенциал практически одинаков.

Кроме регистрирующего электрода в аксон ввели дополнительный раздражающий электрод, через который в нервное волокно подавались толчки электрического тока. При подаче слабого электрического тока внутриклеточный электрод регистрировал кратковременное падение мембранного потенциала (МП), т. е. возникал так называемый электротонический потенциал (ЭП) При подаче несколько более сильного тока происходило дальнейшее падение мембранного потенциала, возникал так называемый подпороговый локальный ответ (ЛО), который в естественных условиях не распространялся. При усилении тока до критического уровня происходило резкое изменение заряда мембраны с отрицательного на положительный заряд. Это явление получило название явление деполяризации, а быстрое колебание заряда на мембране нервной клетки получило название потенциал действия. Потенциал действия нервной клетки — это электрический процесс, выражающийся в быстром колебании мембранного потенциала и распространяющийся без затухания (без декремента).В естественных условиях раздражающим фактором, вызывающим потенциал действия в нервной клетке является изменение проницаемости клеточной мембраны для ионов натрия, при сохранении высокой проницаемости ионов калия. Количество натриевых каналов примерно в 10 раз больше числа калиевых каналов, но в покоящемся состоянии они остаются закрытыми. Изменение состояния мембраны (например, действие медиатора, или электрического тока) вызывает открытие ионных каналов натрия, и эти ионы устремляются внутрь нервной клетки. Положительно заряженные ионы вначале нейтрализуют внутренний отрицательный заряд мембраны, а затем изменяют его на положительный заряд. Величину потенциала действия определяют ионы натрия. Величину мембранного потенциала действия можно оценить по уравнению Нернста для ионов натрия (2):

цмПД = RT/FZ · ln ([Na+]н / [Na+]в) (2).

где [Na+]н и [Na+]в — молярные концентрации ионов по обе стороны мембраны, R — универсальная газовая постоянная (8,31 Дж/(моль · К)), Т — температура, градусы Кельвина (T=273+t), F — постоянная Фарадея (96 500 Кл/моль), Z — заряд иона.

Величина ПД нейрона колеблется в пределах 80−110 мВ. Амплитуда ПД не зависит от силы раздражения, она всегда максимальна для данной клетки в конкретных условиях: ПД подчиняется закону «все или ничего». ПД либо совсем не возникает на раздражение клетки, если оно мало, либо он максимальной величины, если раздражение является пороговым или сверхпороговым.

В составе ПД различают три фазы (рассмотрите рис):

• 1 фаза — деполяризация, т. е. исчезновение заряда клетки — уменьшение мембранного потенциала до нуля;
• 2 фаза — инверсия, изменение заряда клетки на противоположный, когда внутренняя сторона мембраны клетки заряжается положительно, а внешняя — отрицательно (от лат. inversio — переворачивание);
• 3 фаза — реполяризация, восстановление исходного заряда клетки, когда внутренняя поверхность клеточной мембраны снова заряжается отрицательно, а наружная — положительно.

Рисунок Схема, отражающая процесс возбуждения: 1 — деполяризация, 2 — инверсия, 3 — реполяризация, 4 — следовая гиперполяризация

Вся нисходящая часть пика потенциала действия обусловлена выходом иона калия из клетки, она сопровождается восстановлением потенциала покоя мембраны и поэтому называется фазой реполяризации. Фаза реполяризации длится от 0,5 до 1,5 мс. Возникновение потенциала действия возможно при достижении необходимого критического порога (КУД — критический уровень деполярицаии). Достигнув некоторого положительного значения, назовем его потенциалом реверсии (цмрев), мембранный потенциал возвращается к значению потенциала покоя (цмПП). Таким образом, амплитуду потенциала действия можно вычислить по выражению (3):

В случае достижения КУД, возникает локальный потенциал, т. е. местное не распространяющееся подпороговое возбуждение, существующее в пределах от потенциала покоя (-70 мВ) до критического уровня деполяризации (-50 мВ). В основе возбуждения мембраны нервных клеток лежит повышение проницаемости мембраны для ионов натрия и открытие натриевых каналов. Внешнее раздражение вызывает перемещение заряженных частиц внутри клетки, что уменьшает исходную разность потенциалов по обе стороны мембраны. Небольшие величины деполяризации приводят к открытию новых ионных каналов натрия и запускают процесс деполяризации всей мембраны. Изменение проницаемости мембраны в локальном (ограниченном месте) называют подпороговым возбуждением или локальным током.

При увеличении раздражения деполяризация мембраны достигает порога возбудимости или критического уровня деполяризации (КУД). В результате открывается практически все натриевые каналы, и ионы натрия лавинообразно устремляются в клетку. Лавинообразное поступление ионов натрия внутрь клетки, вызывающее резкое смену заряда мембраны, что и регистрируется в виде потенциала действия. Внутренняя сторона мембраны в месте возбуждения оказывается заряженной положительно, а внешняя — отрицательно.

Длительность пика ПД нервного волокна составляет 0,5−1 мс, после чего в силу электрического градиента положительно заряженные ионы перестают поступать в клетку, а ионные каналы натрия закрываются. Смена электрического заряда на внутренней поверхности мембраны вызывает увеличение проницаемости для ионов калия, который по градиенту концентрации выходит из клетки. Выходящие из клетки ионов калия вызывают быстрое снижение потенциала действия. В процессе восстановления потенциала покоя также участвуют ионные насосы, обеспечивающие «откачку» излишних ионов натрия наружу и «накачивание» потерянных ионов калия внутрь, т. е. возвращение к исходной асимметрии их концентрации по обе стороны мембраны.

Возникновение возбуждения (потенциала действия) возможно лишь при сохранении достаточного количества ионов натрия в окружающей клетку среде. Большие потери натрия организмом (например, с потом при длительной мышечной работе в условиях высокой температуры воздуха) могут нарушить нормальную деятельность нервных клеток, снизить работоспособность человека. В условиях кислородного голодания тканей (например, при наличии большого кислородного долга во время мышечной работы) процесс возбуждения также нарушается из-за поражения механизма вхождения в клетку ионов натрия, и клетка становится невозбудимой.