2. Біоелектрична активність в збудливих тканинах. Мембранний потенціал і потенціал дії

Діяльність нервової системи здійснюється шляхом генерації в нейронах нервових імпульсів (потенціалів дії) і передачі їх на відстань. Потенціали дії виникають на основі мембранних потенціалів спокою. Термін «потенціал» походить від латинського слова «potentіa», що означає можливість, потужність, запас енергії в даній точці електричного поля.

Мембранний потенціал (потенціал спокою, мембранний потенціал спокою) – відносно постійна різниця електричних потенціалів між зовнішньою та внутрішньою сторонами плазматичної мембрани клітини збудливої тканини, що перебуває в стані спокою. Ця різниця зумовлена вибірковою (неоднаковою) проникністю мембрани для різних іонів і діяльністю активної натрій-калієвої помпи. Використовуючи енергію біохімічних процесів при розчепленні молекул АТФ ця помпа виносить іони натрію на поверхню мембрани, а іони калію втягує всередину клітини. Таким чином, створення мембранного потенціалу забезпечується двома іонними механізмами – механізмом пасивного транспорту іонів через канали мембрани і механізмом активного іонного транспорту.

В механізмі пасивного транспорту беруть участь позитивно заряджені іони – катіони Nа+ і К+ і негативно заряджені іони – аніони Сl--і аніони амінокислот (Аn--). В стані спокою мембрана нервових клітин найбільш проникна для іонів калію і малопроникна для іонів натрію. Для амінокислотних аніонів, які знаходяться всередині клітин, мембрана зовсім непроникна. Іони калію вільно проникають через мембрану в обох напрямах і їм належить найбільша роль у створенні мембранного потенціалу.

В результаті неоднакової проникності мембрани для різних іонів виявляється, що всередині клітини, в цитоплазмі в 30..50 разів більше іонів калію, ніж на поверхні клітини, а іонів натрію, навпаки, всередині клітини набагато менше (приблизно в 10 разів), ніж на зовнішній поверхні мембрани. Іонів хлору більше зовні. З внутрішньої сторони мембрани, тобто всередині клітини, в тому числі нервового волокна, зосереджена велика кількість негативно заряджених аніонів органічних кислот (Аn-), які створюють негативний електричний заряд (негативний потенціал) на внутрішній стороні мембрани. На зовнішній поверхні мембрани накопичуються позитивно заряджені іони калію і натрію (К+, Nа+), які обумовлюють її позитивний заряд. Отже, поверхнева (плазматична) мембрана клітини в стані спокою є поляризованою – внутрішня її сторона заряджена негативно, зовнішня – позитивно.

Наявність електричної поляризації мембрани, тобто існування мембранного потенціалу, можна визначити з допомогою мікроелектродної техніки. Якщо ввести всередину клітини мікроелектрод, а другий електрод розташувати на поверхні клітини і з’єднати ці електроди з реєструючою апаратурою, то промінь електронного апарата (осцилографа) покаже постійний негативний потенціал щодо електрода, розташованого в навколишньому середовищі клітини або її аксона. Величина внутрішньоклітинного електричного потенціалу у нервових клітин і волокон у стані спокою складає близько мінус 60-70 мілівольт (рис. 1.4). Негативний рівень мембранного потенціалу є наслідком високої концентрації внутрішньоклітинних аніонів, для яких мембрана непроникна. Завдяки цій високій концентрації внутрішньоклітинних аніонів підтримується і висока внутрішньоклітинна концентрація іонів калію. Цією обставиною і пояснюється основний вклад іонів калію в створення мембранного потенціалу, який підтримується постійно на певному рівні.

Рис. 1.4

Потенціал спокою збудливої клітини (А) і схема досліду його реєстрації (Б): 1 – клітина; 2 – мікроелектрод; 3 – осцилограф

Оскільки концентрації як іонів К+, так іонів Na+ по обидві сторони мембрани різні і мембрана має іонні натрієві і калієві канали, то через мембрану в обох напрямах у стані спокою постійно здійснюється дифузія цих іонів. Пасивний дифузійний рух іонів у даних умовах відбувається із сторони їх більш високої концентрації: іони К+ виходять назовні і мають можливість переходити через мембрану у зворотному напрямі. Іони Na+, для яких проникність мембрани значно менша, ніж для іонів К+, також в якійсь мірі надходять всередину клітини. При цьому вони здатні зменшувати негативний мембранний потенціал. Незважаючи на те, що швидкість дифузії іонів Na+ і К+ через мембрану в стані спокою мала, їх концентрації поза клітиною і всередині її повинні були б через деякий час повністю вирівнятись і мембранний потенціал спокою повинен був би зникнути, якби в клітині не існувала натрій-калієва помпа, яка забезпечує активне виведення з цитоплазми іонів натрію і введення іонів калію проти сили їх осмотичних тисків (проти градієнту їх концентрацій).

Потенціал дії (ПД). При подразненні збудливих клітин виникає їх діяльний стан збудження з швидкою зміною мембранного потенціалу спокою. Швидка зміна мембранного потенціалу, що викликає збудження, називається потенціалом дії. Потенціали дії виникають у нервових і в м’язових клітинах. Потенціали дії нервових клітин називаються нервовими імпульсами.

Рис. 1.5

Зіставлення розвитку потенціалу дії (А) із

змінами проникності мембрани (Б): І – зміна проникності мембрани, вхід іонів натрію

всередину клітини і зміна заряду мембрани

(деполяризація); II – вихід іонів калію назовні

(реполяризація); III – відновлення діяльності

натрій-калієвої помпи

Таблиця 1.1

Порівняльна характеристика локального потенціалу і ПД

Властивість	Локальний потенціал	Потенціал дії
Поширення	Поширюється на 1–2 мм із загасанням (декрементом)	Поширюється без загасання на великі відстані по всій довжині нервового волокна, зокрема з урахуванням довжини кінцівок
Залежність величини від сили стимулу	Зростає зі збільшенням сили стимулу, тобто підкоряється закону «сили»	Не залежить (підкоряється закону «усе або нічого»)
Явище сумації	Сумується – зростає при повторенні частих підпорогових подразнень	Не сумується
Амплітуда	10-40 мВ	80-130 мВ
Збудливість тканини при Виникненні потенціалу	Збільшується	Зменшується аж до повної незбудливості (рефрактерність)

Механізм виникнення потенціалів дії полягає в тому, що на місці подразнення клітини підвищується проникність мембрани для іонів натрію (рис. 1.5). Іони натрію починають переміщатися всередину клітини, тобто в сторону значно меншої їх концентрації. При цьому зменшується мембранний потенціал, розвиваються процеси деполяризації мембрани з виникненням електричних потенціалів місцевого підпорогового потенціалу (локальна відповідь).

На відміну від потенціалу дії місцевий потенціал не розповсюджується на далекі відстані табл. 1.1. При дальшому посиленні подразнення до порогової сили і досягненні критичного рівня деполяризації (приблизно - 50 мВ), проникність мембрани ще більше підвищується, швидкість руху іонів натрію всередину волокна різко зростає, настає повна деполяризація, тобто зменшення мембранного потенціалу до нуля. При цьому іони натрію продовжують рухатись всередину, створюючи позитивний заряд на внутрішній стороні мембрани. На місці подразнення відбувається перезарядка (реверсія) мембрани: внутрішня її сторона набуває позитивного заряду, а зовнішня – негативного. В результаті вказаних зрушень виникає позитивний піковий потенціал величиною близько +40 мВ (овершут – переліт через нульовий рівень деполяризації від негативного до позитивного значення заряду). Таким чином, амплітуда зареєстрованого ПД становитиме 110 мВ [-70 + (+ 40)].

Підвищена проникність мембрани до іонів натрію триває близько тисячної долі секунди (1 мс), після цього настає інактивація натрієвих каналів і збільшується проникність мембрани для іонів калію. Іони калію виходять на поверхню мембрани, виносячи свій позитивний заряд. Розвивається процес реполяризації – відновлення мембранного потенціалу до рівня вихідного значення його негативної величини.

Підвищена проникність для іонів калію зберігається довше, ніж для іонів натрію. В цей відрізок часу, у фазі реполяризації, відмічається слідова реакція, яка складається з фази слідової деполяризації з підвищеною збудливістю мембрани і фази слідової гіперполяризації з втратою збудливості мембрани (рис. 1.6).

Потенціал дії можна зареєструвати з допомогою електронно-променевого осцилографа. При цьому використовують метод мікроелектродної техніки, як при визначенні мембранного потенціалу (внутрішньоклітинне відведення), або застосовують зовнішньоклітинне відведення з накладанням звичайних електрофізіологічних електродів на поверхню нервового волокна. Електроди в усіх випадках з’єднують з осцилографом. На зареєстрованому потенціалі дії (хід променя або графічна крива) розрізняють його елементи (фази): 1) місцевий (підпороговий, електротонічний) потенціал, 2) висхідну фазу пікового потенціалу, 3) низхідну фазу пікового потенціалу, 4) слідовий деполяризаційний потенціал, 5) слідовий гіперполяризаційний потенціал (рис. 1.6).

Тривалість пікової частини ПД (висхідної і низхідної фаз) складає близько 2 мс, тривалість слідової реакції (деполяризаційного і гіперполяризаційного потенціалів) значно більша. Висхідна фаза ПД відповідає моменту деполяризації, низхідна фаза – реполяризації. Тривалість та амплітуда ПД не залежать від сили подразника. Процес генерації потенціалів дії підкоряється закону «все або нічого» – підпорогові подразнення не викликають виникнення ПД, при порогових і надпорогових подразненнях потенціал дії зразу ж набуває максимальної величини. ПД поширюється по нейрону без зміни амплітуди.

Рис. 1.6

Зіставлення одиночного циклу збудження (нервового імпульсу) з фазами збудливості нервового волокна: А – потенціал дії з слідовими реакціями; Б – відповідні фази збудливості; а – мембранний потенціал – вихідна збудливість, б – локальна відповідь (місцевий потенціал – підвищена збудливість, в – деполяризація і інверсія – абсолютна рефрактерність, г – реполяризація – відносна рефрактерність, д – слідова деполяризація – супернормальна (підвищена) збудливість, є – слідова гіперполяризація – субнормальна (понижена) збудливість

Після закінчення розгортання всіх фаз потенціалу дії активуються процеси повного відновлення мембранного потенціалу спокою. В цьому відновленні безпосередню участь бере натрій-калієва помпа, яка виносить на поверхню клітини іони натрію і втягує всередину клітини іони калію.