Механизмы изменения ионной проводимости во время генерации потенциала действия

Известно, что восходящая фаза потенциала действия связана с повышением натрие­вой проницаемости. Процесс повышения g_Na развивается следующим образом.

В ответ на начальную деполяризацию мембраны, вызванную раздражителем, откры­вается лишь небольшое число натриевых каналов. Их открывание, однако, приводит к возникновению входящего внутрь клетки потока ионов Na⁺ (входящий натриевый ток), который увеличивает начальную деполяризацию. Это ведет к открыванию новых натрие­вых каналов, т. е. к дальнейшему повышению g_Na соответственно входящего натриевого тока, а следовательно, к дальнейшей деполяризации мембраны, что, в свою очередь, обусловливает еще большее повышение g_Na и т. д. Такой круговой лавинообразный процесс получил название регенеративной (т. е. самообновляющейся) деполяризации. Схематически он может быть изображен следующим образом:

Теоретически регенеративная деполяризация должна была бы завершаться повыше­нием внутреннего потенциала клетки до величины равновесного нернстовского потен­циала для ионов Na⁺:

где Na_o⁺— наружная, a Na_i⁺ — внутренняя концентрация ионов Na⁺

При наблюдаемом соотношение

Эта величина является предельной для потенциала действия. В действительности, однако, пиковый потенциал никогда не достигает величины Е_Na, во-первых, потому, что мембрана в момент пика потенциала действия проницаема не только для ионов Na⁺, но и для ионов K⁺ (в значительно меньшей степени). Во-вторых, подъему потенциала действия до величины Е_Na противодействуют восстановительные процессы, ведущие к восстановлению исходной поляризации (реполяризация мембраны).

Такими процессами являются снижение значения g_Na и повышение уровня g_K

Снижение g_Na обусловлено тем, что активация натриевых каналов во время деполя­ризации сменяется их инактивацией; это приводит к быстрому уменьшению числа откры­тых натриевых каналов. Одновременно под влиянием деполяризации начинается медлен­ная активация калиевых каналов, обусловливающая рост значения g_K. Следствием увели­чения g_K является усиление выходящего из клетки потока ионов K⁺ (выходящий калие­вый ток).

В условиях понижения g_Na, связанного с инактивацией натриевых каналов, выходя­щий ток ионов K⁺ приводит к реполяризации мембраны или даже к ее временной («сле­довой») гиперполяризации, как это имеет место, например, в гигантском аксоне кальмара (см. рис. 4).

Реполяризация мембраны в свою очередь ведет к закрыванию калиевых каналов' и, следовательно, ослаблению выходящего калиевого тока. Вместе с тем под влиянием реполяризации происходит медленное устранение натриевой инактивации: открываются инактивационные ворота и натриевые каналы возвращаются в состояние покоя.

На рис. 9 схематически показано состояние натриевых и калиевых каналов в различ­ные фазы развития потенциала действия.

Все агенты, блокирующие натриевые каналы (тетродотоксин, местные анестетики и многие другие препараты), снижают крутизну нарастания и амплитуду потенциала дей­ствия и тем в большей степени, чем выше концентрация этих веществ.

Обмен веществ Внутри:

Na мало К много

АКТИВАЦИЯ НАТРИЙ-КАЛИЕВОГО НАСОСА ПРИ ВОЗБУЖДЕНИИ

Возникновение серии импульсов в нервном или мышечном волокне сопровождается обогащением протоплазмы Na⁺ и потерей K⁺. Для гигантского аксона кальмара диамет­ром 0,5 мм подсчитано, что во время одиночного нервного импульса через каждый квадратный микрон мембраны в протоплазму поступает около 20 000 Na⁺ и столько же K⁺ покидает волокно. В итоге при каждом импульсе аксон теряет около одной миллион­ной общего содержания калия. Хотя эти потери очень незначительны, при ритмическом следовании импульсов, суммируясь, они должны были бы привести к более или менее заметным изменениям концентрационных градиентов.

Особенно быстро такие концентрационные сдвиги должны были бы развиваться в тонких нервных и мышечных волокнах и мелких нервных клетках, обладающих малым по отношению к поверхности объемом цитоплазмы. Этому, однако, противодействует натриевый насос, активность которого возрастает при повышении внутриклеточной кон­центрации ионов Na⁺.

Усиление работы насоса сопровождается значительным повышением интенсивности обменных процессов, поставляющих энергию для активного переноса ионов Na⁺ и K⁺ через мембрану. Это проявляется усилением процессов распада и синтеза АТФ и креатин-фосфата, увеличением потребления клеткой кислорода, повышением теплопродукции и т. п.

Благодаря работе насоса нарушенное при возбуждении неравенство концентраций Na⁺ и K⁺ по обе стороны мембраны полностью восстанавливается. Следует, однако, подчеркнуть, что скорость выведения Na⁺ из цитоплазмы с помощью насоса относительно мала: она примерно в 200 раз ниже скорости движения этих ионов через мембрану по концентрационному градиенту.

Таким образом, в живой клетке существует две системы движения ионов через мембрану (рис. 10). Один из них осуществляется по градиенту концентрации ионов и не требует затраты энергии, поэтому его называют пассивным ионным транспортом. Он ответствен за возникновение потенциала покоя и потенциала действия и ведет в конечном итоге к выравниванию концентрации ионов по обе стороны клеточной мембраны. Второй тип движения ионов через мембрану, осуществляющийся против концентрационного гра­диента, состоит в «выкачивании» ионов натрия из цитоплазмы и «нагнетании» ионов калия внутрь клетки. Этот тип ионного транспорта возможен лишь при условии затраты энергии обмена веществ. Его называют активным ионным транспортом. Он ответствен за поддержание постоянства разности концентраций ионов между цитоплазмой и омы­вающей клетку жидкостью. Активный транспорт — результат работы натриевого насоса, благодаря которому восстанавливается исходная разность ионных концентраций, нару­шающаяся при каждой вспышке возбуждения.

Рис. 10. Две системы транспорта ионов через мембрану.

Справа — движение ионов Na⁺ и K⁺ по ионным каналам во время возбуждения в соответствии с концентрационным и электрическим градиентами. Слева — активный транспорт ионов против концен­трационного градиента за счет энергии метаболиз­ма («натриевый насос»). Активный транспорт обес­печивает поддержание и восстановление ионных градиентов, изменяющихся во время импульсной активности. Пунктирной линией обозначена та часть оттока Na⁺ которая не исчезает при удале­нии из наружного раствора ионов K⁺ [Ходжкин А., 1965].