Agadzhanyan T

теории мембранный потенциал обусловлен не только концентрацией ионов калия, но и натрия и хлора, а также неодинаковой проницаемостью для этих ионов мембраны клетки. Цитоплазма нервных и мышечных клеток содержит в 30– 50 раз больше ионов калия, в 8–10 раз меньше ионов натрия и в 50 раз меньше ионов хлора, чем внеклеточная жидкость. Проницаемость мембраны для ионов обусловлена ионными каналами, макромолекулами белка, пронизывающими липидный слой. Одни каналы открыты постоянно, другие каналы (потенциалозависимые) открываются и закрываются в ответ на изменения МП. Потенциалозависимые каналы подразделяются на натриевые, калиевые и хлорные. В состоянии физиологического покоя проницаемость мембраны нервных клеток для ионов калия в 25 раз больше, чем для ионов натрия.

Таким образом, согласно обновленной мембранной теории, возникновение и поддержание мембранного потенциала обусловлено: 1) избирательной проницаемостью мембраны для различных ионов; 2) разностью их концентраций по обе стороны от мембраны.

Поэтому более точно величину мембранного потенциала можно рассчитать по формуле:

где РК, PNa, PCl – проницаемость для ионов калия, натрия и хлора; [K]ВН, [Na]ВН, [Cl]ВН – концентрация этих ионов внутри клетки; [K]Н, [Na]Н, [Cl]Н – их концентрации вне клетки.

Поляризация мембраны в покое объясняется наличием открытых калиевых каналов и трансмембранным градиентом концентраций калия, что приводит к выходу части внутриклеточного калия в окружающую клетку среду, т.е. к появлению положительного заряда на наружной поверхности мембраны. Органические анионы – крупномолекулярные соединения, для которых мембрана клетки непроницаема, создающие на внутренней поверхности мембраны отрицатель-

29

ный заряд. Поэтому чем больше разница концентраций калия по обе стороны от мембраны, тем больше выходит калия и тем выше значения МП. Переход ионов калия и натрия через мембрану по их концентрационному градиенту в конечном итоге должен был бы привести к выравниванию концентраций этих ионов внутри клетки и в окружающей ее среде. Но в живых клетках этого не происходит, так как в клеточной мембране имеются натрий-калиевые насосы, которые обеспечивают выведение из клетки ионов натрия и введение в нее ионов калия, работая с затратой энергии. Они принимают и прямое участие в создании МП, так как за единицу времени ионов натрия выводится из клетки больше, чем вводится калия (в соотношении 3:2), что обеспечивает постоянный ток положительных ионов из клетки. Выведение Nа обеспечивается активным транспортом, это доказывается тем, что динитрофенол, который ингибирует окислительное фосфорилирование (т.е. синтез АТФ), снижает выход Na почти в 100 раз. Таким образом, возникновение и поддержание мембранного потенциала обусловлено не только избирательной проницаемостью мембраны клетки, но и работой натрийкалиевого насоса.

Изменения мембранного потенциала. Потенциал действия.

Пороговые и подпороговые раздражители

Если раздражать нейрон через электрод, находящийся в цитоплазме, кратковременными импульсами деполяризующего электрического тока раличной величины, то, регистрируя через другой электрод изменения мембранного потенциала, можно наблюдать следующие биоэлектрические реакции: электротонический потенциал, локальный ответ и потенциал действия (рис. 2.3). Если наносятся раздражения, величина которых не превышает 0,5 величины порогового раздражения, то деполяризация мембраны наблюдается только во время действия раздражителя. Это пассивная электрото-

ническая деполяризация (электротонический потенциал).

30

Развитие и исчезновение электротонического потенциала происходит по экспоненте и определяется параметрами раздражающего тока, а также свойствами мембраны (ее сопротивлением и емкостью). Во время развития электротонического потенциала проницаемость мембраны для ионов практически не изменяется.

Рис. 2.3. Изменение мембранного потенциала под влиянием деполяризующих и гиперполяризующих раздражений:

а – электротонический потенциал; б – локальный ответ; в – потенциал действия; г – гиперполяризация; д – раздражения

(А.В. Коробков и др., 1980)

Локальный ответ. При увеличении амплитуды подпороговых раздражений от 0,5 до 0,9 пороговой величины развитие деполяризации мембраны происходит не прямолинейно, а по S-образной кривой. Деполяризация продолжает нарастать и после прекращения раздражения, а затем сравнительно медленно исчезает. Этот процесс получил название локального ответа. Локальный ответ имеет следующие свойства: 1) возникает при действии подпороговых раздражителей; 2) находится в градуальной зависимости от силы стимула (не подчиняется закону «все или ничего»); локализуется в месте действия раздражителя и не способен к распространению на большие расстояния; 3) может распространяться

31

лишь локально, при этом его амплитуда быстро уменьшается; локальные ответы способны суммироваться, что приводит к увеличению деполяризации мембраны. В период развития локального ответа увеличивается поток ионов натрия в клетку, что повышает ее возбудимость. Локальный ответ является экспериментальным феноменом, однако по перечисленным выше свойствам он близок к таким явлениям, как процесс местного нераспространяющегося возбуждения и возбуждающего постсинаптического потенциала (ВПСП), который возникает под влиянием деполяризующего действия возбуждающих медиаторов.

Потенциал действия (ПД) возникает на мембранах возбудимых клеток (рис. 2.4) 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 мембранного потенциала – деполяризации мембраны. При уменьшении МП до критического уровня деполяризации открываются потенциалозависимые каналы для натрия и проницаемость мембраны для этих ионов увеличивается примерно в 500 раз (превышая проницаемость для ионов калия в 20 раз). В результате проникновения ионов натрия в цитоплазму и их 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 открываются потенциалозависимые калиевые каналы. В результате выхода калия из клетки начинается процесс восстановления исходного уровня мембранного потенциала покоя – реполяризация мембраны. Если такое повышение проводимости для калия предотвратить введением тетраэтиламмония, который избирательно блокирует калиевые каналы, мембрана реполяризуется гораздо медленнее. Натриевые каналы можно блокировать тетродотоксином и разблокировать последующим введением фермента проназы, который расщепляет белки. Тет-

32

родотоксин содержится в икре и печени рыбы фугу. Смертельная доза для человека 0,7–1,0 мг. К смерти приводит остановка дыхания.

Рис. 2.4. Сопоставление потенциала действия и ионной проницаемости мембраны (К.М. Кулланда, 1970)

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

В потенциале действия различают следующие фазы:

1.Предспайк – процесс медленной деполяризации мембраны до критического уровня деполяризации (местное возбуждение, локальный ответ).

2.Пиковый потенциал или спайк, состоящий из восходящей части (деполяризация мембраны) и нисходящей части (реполяризация мембраны).

33

3.Отрицательный следовой потенциал – от критического уровня деполяризации до исходного уровня поляризации мембраны (следовая деполяризация).

4.Положительный следовой потенциал – увеличение мембранного потенциала и постепенное возвращение его к исходной величине (следовая гиперполяризация).

Изменение возбудимости при возбуждении

При развитии потенциала действия происходят фазные изменения возбудимости ткани (рис. 2.5). Состоянию исходной поляризации мембраны (мембранный потенциал покоя) соответствует нормальный уровень возбудимости. В период предспайка возбудимость ткани повышена, эта фаза возбудимости получила название повышенной возбудимости (первичной экзальтации). В это время мембранный потенциал приближается к критическому уровню деполяризации, поэтому дополнительный стимул, даже если он меньше порогового, может довести мембрану до критического уровня деполяризации. В период развития спайка (пикового потенциала) идет лавинообразное поступление ионов натрия внутрь клетки, в результате чего происходит перезарядка мембраны и она утрачивает способность отвечать возбуждением на раздражители даже сверхпороговой силы. Эта фаза возбуди-

мости получила название абсолютной рефрактерности (аб-

солютной невозбудимости). Она длится до конца перезарядки мембраны и возникает в связи с тем, что натриевые каналы инактивируются. После окончания фазы перезарядки мембраны возбудимость ее постепенно восстанавливается до исходного уровня – фаза относительной рефрактерности.

Она продолжается до восстановления заряда мембраны до величины, соответствующей критическому уровню деполяризации. Так как в этот период мембранный потенциал покоя еще не восстановлен, то возбудимость ткани понижена, и новое возбуждение может возникнуть только при действии сверхпорогового раздражителя. Снижение возбудимости в

34

фазу относительной рефрактерности связано с частичной инактивацией натриевых каналов и активацией калиевых.

Рис. 2.5. Соотношение одиночного цикла возбуждения (А) и фаз возбудимости (Б)

Для А: а – мембранный потенциал покоя; б – локальный ответ или ВПСП;

в– восходящая фаза потенциала действия (деполяризация и инверсия);

г– нисходящая фаза потенциала действия (реполяризация);

д– отрицательный следовой потенциал (следовая деполяризация);

е– положительный следовой потенциал (следовая гиперполяризация). Для Б: а – исходный уровень возбудимости; б – фаза повышенной возбудимости; в – фаза абсолютной рефрактерности; г – фаза относительной рефрактерности; д – фаза супернормальной возбудимости;

е– фаза субнормальной возбудимости

Периоду отрицательного следового потенциала соответствует повышенный уровень возбудимости (фаза вторичной экзальтации). Так как мембранный потенциал в эту фазу ближе к критическому уровню деполяризации по сравнению с состоянием покоя (исходной поляризацией), то порог раздражения снижен, и новое возбуждение может возникнуть при действии раздражителей подпороговой силы. В период развития положительного следового потенциала возбуди-

мость ткани понижена – фаза субнормальной возбудимости

35

(вторичной рефрактерности). В эту фазу мембранный потенциал увеличивается (состояние гиперполяризации мембраны), удаляясь от критического уровня деполяризации, порог раздражения повышается и новое возбуждение может возникнуть только при действии раздражителей сверхпороговой величины.

Рис. 2.6. Состояние натриевых каналов в зависимости от величины мембранного потенциала:

а – зависимость процента открытых h и m-«ворот» от величины мембранного потенциала;

б – положение m и h-«ворот» натриевого канала:

1 – соответствующее потенциалу покоя, 2 – развитию пика ПД,

3– рефрактерности; m – активационные «ворота»; h – инактивационные «ворота;

φ– значение потенциала, при котором открыты m-«ворота» у 50% каналов

Рефрактерность мембраны является следствием того, что натриевый канал состоит из собственно канала (транспортной части) и воротного механизма, который управляется электрическим полем мембраны. В канале предполагают наличие двух типов «ворот» – быстрых активационных (m) и медленных инактивационных (h). «Ворота» могут быть пол-

36

ностью открыты или закрыты (рис. 2.6), например, в натриевом канале в состоянии покоя «ворота» m закрыты, а «ворота» h – открыты. При уменьшении заряда мембраны (деполяризации) в начальный момент «ворота» m и h открыты – канал способен проводить ионы. Через открытые каналы ионы движутся по концентрационному и электрохимическому градиенту. Затем инактивационные «ворота» закрываются, т.е. канал инактивируется. По мере восстановления МП инактивационные «ворота» медленно открываются, а активационные быстро закрываются, и канал возвращается в исходное состояние. Следовая гиперполяризация мембраны может возникать вследствие трех причин: во-первых, продолжающимся выходом ионов калия; во-вторых, открытием каналов для хлора и поступлением этих ионов в клетку; в-третьих, усиленной работой натрий-калиевого насоса.

Законы раздражения возбудимых тканей

Характер ответных реакций отдельных возбудимых структур и организма в целом зависит от силы, длительности, скорости нарастания и частоты раздражения. Законы раздражения возбудимых тканей отражают различные зависимости между действием раздражителя и характером ответной реакции возбудимой ткани.

Зависимость ответной реакции от силы раздраже-

ния. При действии слабых (подпороговых) раздражителей ответной реакции не наблюдается. Раздражитель минимальной силы, способный вызвать ответную реакцию, называется пороговым раздражителем. Величина порогового раздражителя является одним из показателей возбудимости ткани: чем ниже порог раздражения, тем выше ее возбудимость. Если увеличивать силу раздражения выше пороговых значений, то величина ответной реакции будет возрастать до определенного для каждой структуры предела.

Закон силы – чем больше сила раздражителя, тем сильнее ответная реакция (как целого организма, так и изолированного препарата возбудимой ткани). В соответствии с этим

37

законом функционирует скелетная мышца, амплитуда ее сокращений возрастает с увеличением силы раздражителя вплоть до достижения максимальных значений (рис. 2.7). Это обусловлено тем, что скелетная мышца состоит из множества мышечных волокон, имеющих различную возбудимость. На пороговые раздражители отвечают только те волокна, которые имеют самую высокую возбудимость (амплитуда мышечного сокращения при этом минимальна). Увеличение силы раздражителя приводит к постепенному вовлечению волокон, имеющих меньшую возбудимость, поэтому амплитуда сокращения мышцы будет усиливаться. Когда в реакции участвуют все мышечные волокна данной мышцы, дальнейшее повышение силы раздражителя не приводит к увеличению амплитуды сокращения.

Рис. 2.7. Увеличение амплитуды сокращения скелетной мышцы (а)

вответ на увеличение силы стимула (б)

Вфизиологии существует представление о том, что ряд структур не подчиняется закону силы, а реагирует в соответствии с другим законом. Закон «все или ничего»: подпороговые раздражители не вызывают ответной реакции – «ничего», а на пороговые раздражители возникает максимальная ответная реакция – «все». В соответствии с законом «все или ничего» функционируют сердечная мышца и одиночное мышечное волокно (рис. 2.8). Этот закон относителен, так как

38