3)Потенциал покоя

Между наружной поверхностью клетки и ее цитоплазмой в состоянии покоя существует разность потенциалов около 0,06-0,09 в, причем поверхность клетки заряжена электроположительно по отношению к цитоплазме. Эту разность потенциалов называют потенциалом покоя или мембранным потенциалом. Точное измерение потенциала покоя возможно только с помощью микроэлектродов, предназначенных для внутриклеточного отведения токов, очень мощных усилителей и чувствительных регистрирующих приборов - осциллографов.

Микроэлектрод (рис. 67, 69) представляет собой тонкий стеклянный капилляр, кончик которого имеет диаметр около 1 мкм. Этот капилляр заполняют солевым раствором, погружают в него металлический электрод и соединяют с усилителем и осциллографом (рис. 68). Как только микроэлектрод прокалывает покрывающую клетку мембрану, луч осциллографа отклоняется вниз из своего исходного положения и устанавливается на новом уровне. Это свидетельствует о наличии разности потенциалов между наружной и внутренней поверхностью клеточной мембраны.

Наиболее полно происхождение потенциала покоя объясняет так называемая мембранно-ионная теория. Согласно этой теории все клетки покрыты мембраной, имеющей неодинаковую проницаемость для различных ионов. В связи с этим внутри клетки в цитоплазме в 30-50 раз больше ионов калия, в 8-10 раз меньше ионов натрия и в 50 раз меньше ионов хлора, чем на поверхности. В состоянии покоя клеточная мембрана более проницаема для ионов калия, чем для ионов натрия. Диффузия положительно заряженных ионов калия из цитоплазмы на поверхность клетки придает наружной поверхности мембраны положительный заряд.

Таким образом, поверхность клетки в покое несет на себе положительный заряд, тогда как внутренняя сторона мембраны оказывается заряженной отрицательно за счет ионов хлора, аминокислот и других крупных органических анионов, которые через мембрану практически не проникают.

4)Изменение мембранного потенциала при возбуждении ( 2 страницы)

Процессы возбуждения и торможения имеют непосредственную связь с величиной МП и его изменениями (рис. 2). При этом процесс возбуждения, как правило, сопровождается быстронарастающей деполяризацией с возможной последующей генерацией ПД

Если раздражать аксон через электрод, находящийся в цитоплазме, кратковременными импульсами деполяризующего электрического тока, величина которых увеличивается, то, регистрируя через другой электрод изменения МП, можно наблюдать следующее биоэлектрические реакции: 1) электротонический потенциал, 2) локальный ответ, 3) потенциал действия.

Электротонический потенциал (ЭП). Если наносить слабые раздражения, величина которых не превышает 0,3 величины порогового раздражения, то де¬поляризация мембраны фактически наблюдается только во время действия раздражителя. Это пассивная электротоническая деполяризация (ЭП). Развитие и исчезновение ЭП происходит по экспоненциальной кривой и определяется параметрами раздражающего тока, а также постоянной времени мембраны, т. е. произведением сопротивления мембраны (R) на ее емкость (С) — КС. Во время развития ЭП ионная проницаемость мембраны практически не изменяется.

Локальный ответ. При увеличении амплитуды подпороговых раздражении от 0,5 до 0,9 порога можно наблюдать, что развитие деполяризации происходит не прямолинейно, а по S-образной кривой. Деполяризация продолжает нарастать после прекращения раздражения, а затем сравнительно медленно исчезает. Этот процесс деполяризации получил название локального ответа (ЛО). АО имеет следующие основные свойства: а) возникает при действии подпороговых раздражителей; б) находится в градуальной зависимости от силы стимула (не подчиняется закону «все или ничего»); в) локализуется в пункте действия раздражителя и практически не способен к распространению, так как характеризуется большой степенью затухания; г) при нанесении нескольких подпороговых раздражении, следующих с интервалом меньше продолжительности отдельных АО, то, возникая после каждого раздражения, они суммируются, и деполяризация мембраны возрастает. В период развития ЛО изменяется ионная проницаемость мембраны, увеличивается поток ионов Na+ из межклеточной среды в цитоплазму и возбудимость структуры повышается.

По перечисленным выше свойствам ЛО можно приравнять к таким естественным явлениям, как процесс местного нераспространяющегося возбуждения и возбудительный постсинаптический потенциал (ВСПС), возникающий под влиянием деполяризующего действия возбуждающих медиаторов на постсинаптическую мембрану.

Потенциал действия (ПД). При нанесении достаточно сильных пороговых и сверхпороговых импульсов тока деполяризация мембраны достигает некоторого критического (порогового) уровня и в реакциях аксона начинают проявляться су¬щественные качественные изменения. Критический уровень деполяризации (КУД) у различных клеток и волокон неодинаков. Он может колебаться от нескольких милливольт до 30—50 мВ (рис. 3).

При сдвиге МП до КУД мембрана возбудимых структур резко изменяет свою ионную проницаемость, и возникают трансмембранные ионные потоки, под влиянием которых внутренняя поверхность мембраны не только теряет свой отрицательный потенциал но и приобретает положительный заряд, достигающий величины +30—+50

мВ, т.е. происходит инверсия потенциала мембраны. Возникающий при этом биоэлектрический потенциал получил название ПД.

В соответствии с положениями мембранной теории возникновение ПД объясняется тем, что как только деполяризация мембраны достигает критического (порогового) уровня, в мембране открываются натриевые каналы и при этом проницаемость мембраны для ионов Na+ по сравнению с состоянием покоя возрастает в десятки и даже сотни раз. В создавшихся условиях ионы Na+ по концентрационному и электрохимическому градиенту лавинообразно устремляются внутрь возбудимой структуры, неся с собой положительные заряды.

(продолжение) Накопление ионов Na+ в цитоплазме вначале приводит к нейтрализации заряда мембраны, но поскольку потенциал равновесия для ионов Na+ имеет положительный знак и примерно равен +60 мВ, то эти ионы продолжают по¬ступать в цитоплазму и внутренняя поверхность мембраны приобретает поло¬жительный заряд. Амплитуда ПД определяется как сумма величин МП и ин¬вертированного заряда мембраны без учета знака этих составляющих. Однако положительный заряд внутренней поверхности мембраны не достигает величины потенциала равновесия для ионов Na+ так как, с одной стороны, происходит инактивация механизма, транспортирующего Na+ в клетку, а с другой — активируется выход ионов К+ из клетки через калиевые поры, что приводит к развитию процесса реполяризации мембраны. ПД у различных структур неодинаковы: его продолжительность у мотонейронов спинного мозга равна 1-3 мс, у миелинизированных нервных волокон — 0,4—1,5 мс, у поперечнополосатых мышечных волокон скелетной мускулатуры 3-8 мс. Более продолжительные потенциалы действия (до 300 мс) регистрируются в волокнах миокарда.

Параметры ПД имеют очень важное физиологическое значение, ибо с их помощью можно определить функциональную лабильность возбудимых структур.

Во время быстрой деполяризации и инверсии заряда мембраны возбуждаемой структуры не способны реагировать на действие даже сверхпороговых раздражителей, так как развивается абсолютная рефрактерностъ. В процессе ре-поляризации, вследствие выхода ионов К+ из цитоплазмы, на внутренней поверхности мембраны накапливается отрицательный заряд и происходит восстановление возбудимости. Период, когда происходит восстановление возбудимости и структура приобретает способность реагировать на действие сильных (сверхпороговых) раздражителей, называется фазой относительной рефрактерности. Считают, что ПД является основой процесса распространяющегося возбуждения и ему присущи следующие основные свойства: а) возникает при действии пороговых и сверхпороговых раздражителей на фоне КУД; б) имеет четкий порог возникновения и подчиняется закону «все или ничего»; в) распространяется от места возникновения в виде волны возбуждения, без затухания и со значительной скоростью до 140 м/с; г) не способны к суммации.

После генерации ПД обычно происходит сравнительно медленное восстановление МП до исходного уровня и при этом регистрируются т. н. следовые реакции.

Следовые реакции возбудимых структур при внутриклеточной регистрации выражаются в следовой деполяризации и следовой гиперполяризации, при вне¬клеточной регистрации это соответственно следовой отрицательный потенциал и следовой положительный потенциал.

Во время следовой деполяризации возбудимость структуры повышена, так как уровень МП выше исходного и необходима меньшая сила раздражителя, чтобы сместить МП до КУД. При этом наблюдается супернормалъная возбудимость. Следовая гиперполяризация уменьшает возбудимость структур, и возбудимость становится субнормальной. Рассмотрев основные закономерности изменении МП, можно констатировать, что одиночный цикл возбуждения имеет фазный характер, причем каждой фазе этого цикла соответствует строго определенная степень возбудимости.

5)и 6)Потенциал действия. Роль ионов Na и К в генерации потенциала действия в нервных и мышечных волокнах: роль ионов Са и CI

Потенциал действия развивается на мембране в результате её возбуждения и сопровождается резким изменением мембранного потенциала.

В потенциале действия выделяют несколько фаз:

* фаза деполяризации;

* фаза быстрой реполяризации;

* фаза медленной реполяризации (отрицательный следовый потенциал);

* фаза гиперполяризации (положительный следовый потенциал).

Фаза деполяризации. Развитие ПД возможно только при действии раздражителей, которые вызывают деполяризацию клеточной мембраны. При деполяризации клеточной мембраны до критического уровня деполяризации (КУД) происходит лавинообразное открытие потенциал чувствительных Na+- каналов. Положительно заряженные ионы Na+ входят в клетку по градиенту концентрации (натриевый ток), в результате чего мембранный потенциал очень быстро уменьшается до 0, а затем приобретает положительное значение. Явление изменения знака мембранного потенциала называют реверсией заряда мембраны.

Фаза быстрой и медленной реполяризации. В результате деполяризации мембраны происходит открытие потенциалчувствительных К+- каналов. Положительно заряженные ионы К+ выходят из клетки по градиенту концентрации (калиевый ток), что приводит к восстановлению потенциала мембраны. В начале фазы интенсивность калиевого тока высока и реполяризация происходит быстро, к концу фазы интенсивность калиевого тока снижается и реполяризация замедляется. Усиливает реполяризацию поступление в клетку Ca2+ Фаза гиперполяризации развивается за счет остаточного калиевого тока и за счет прямого электрогенного эффекта активировавшейся Na+/K+ помпы. Поступление в клетку Cl- дополнительно гиперполяризует мембрану Изменение величины мембранного потенциала во время развития потенциала действия связано в первую очередь с изменением проницаемости мембраны для ионов натрия и калия.

Потенциал действия

Если участок нервного или мышечного волокна подвергнуть действию достаточно сильного раздражителя, то в этом участке возникает возбуждение, проявляющееся в быстром колебании мембранного потенциала и называемое потенциалом действия.

Потенциал действия можно зарегистрировать либо с помощью электродов, приложенных к внешней поверхности волокна (внеклеточное отведение), либо микроэлектрода, введенного в цитоплазму (внутриклеточное отведение).

При внеклеточном отведении можно обнаружить, что поверхность возбужденного участка на очень короткий период, измеряемый тысячными долями секунды, становится заряженной электроотрицательно по отношению к покоящемуся участку.

Причина возникновения потенциала действия - изменение ионной проницаемости мембраны. При раздражении проницаемость клеточной мембраны для ионов натрия повышается. Ионы натрия стремятся внутрь клетки, так как, во-первых, они заряжены положительно и их влекут внутрь электростатические силы, во-вторых, концентрация их внутри клетки невелика. В покое клеточная мембрана была малопроницаемой для ионов натрия. Раздражение изменило проницаемость мембраны, и поток положительно заряженных ионов натрия из внешней среды клетки в цитоплазму значительно превышает поток ионов калия из клетки наружу. В результате внутренняя поверхность мембраны становится заряженной положительно, а наружная вследствие потери положительно заряженных ионов натрия отрицательно. В этот момент и регистрируется пик потенциала действия.

Повышение проницаемости мембраны для ионов натрия продолжается очень короткое время. Вслед за этим в клетке возникают восстановительные процессы, приводящие к тому, что проницаемость мембраны для ионов натрия вновь понижается, а для ионов калия возрастает. Поскольку ионы калия также заряжены положительно, то, выходя из клетки, они восстанавливают исходные отношения снаружи и внутри клетки.

Накопления ионов натрия внутри клетки при многократном возбуждении ее не происходит потому, что ионы натрия эвакуируются из нее постоянно за счет действия специального биохимического механизма, называемого "натриевым насосом". Есть данные и об активном транспорте ионов калия с помощью "натрий-калиевого насоса".

Таким образом, согласно мембранно-ионной теории в происхождении биоэлектрических явлений решающее значение имеет избирательная проницаемость клеточной мембраны, обусловливающая разный ионный состав на поверхности и внутри клетки, а следовательно, и разный заряд этих поверхностей. Следует заметить, что многие положения мембранно-ионной теории все еще дискуссионны и нуждаются в дальнейшей разработке.