3.2. Потенціали дії

Клітини збудливих тканин у відповідь на порогове або надпорогове подраз­нення генерують потенціали дії, які здатні до автоматичного поширення вздовж мембрани. Завдяки цьому потенціали дії забезпечують передачу інформації від рецепторів до нервових центрів, а від них - до ефекторів. У м'язових волокнах потенціали дії запускають процеси, які активують скоротливий апарат.

Потенціалом дії називають пікоподібне, дуже швидке коливання мембран­ного потенціалу, в основі якого лежить короткочасне перезарядження мембрани і подальше відновлення вихідного значення мембранного потенціалу. Таке коли­вання триває 1-5 мс і досягає амплітуди 120 мВ.

Електричний феномен збудження, названий Е.Дюбуа-Реймоиом негатив­ним коливанням струму спокою, вперше виявив у 1837 р. Ч.Маттеуччі. Згодом його назвали потенціалом дії, оскільки він відображає активний або діяльний стан клітин. Іноді називають його піковим, або спайковим, потенціалом. За до­помогою методу позаклітинного відведення, з використанням осцилографа, його зареєстрували у 1924 р. Д.Ерлангер і Г.Гассер, а за допомогою методу внутріш­ньоклітинного відведення -у 1939 р. А.Ходжкін і Е.Хакслі.

Потенціали дії, зареєстровані за допомогою позаклітинного біполярного відведення, мають форму двофазної кривої. Зумовлено це перезарядкою мембра­ни, внаслідок чого зовнішня поверхня мембрани у точці збудження отримує нега­тивний заряд. Оскільки збудження поширюється, негативний заряд зовнішньої поверхні мембрани виникає спочатку під першим відвідним електродом (формується перша фаза), а потім - під другим (формується друга фаза).

Амплітуда потенціалу дії нерва при його позаклітинному відведенні залежить від сили подразнення. Крім того, його перша фаза має більшу амплітуду і меншу тривалість, ніж друга, тому що потенціал дії нерва при позаклітинному подразненні і відведенні виникає внаслідок сумації потенціалів дії різних нервових шиюкон, які характеризуються різною збудливістю і швидкістю проведення збуд­ження. Коли відстань між подразнюючими і відвідними електродами більше 10-15 см (уніполярне відведення), сумарний потенціал дії розчленовується на поте­нціали дії α, β, γ, ∆-нервових волокон.

У процесі позаклітинного відведення реєструється потенціал дії неповної амплітуди, який досягає кількох мВ. Повну амплітуду потенціалу дії (до 120 мВ) можна зареєструвати тільки використовуючи внутрішньоклітинне відведення. Та­кий потенціал дії має форму однофазної пікоподібної хвилі, на якій розрізняють генераторний потенціал, або препотенціал, деполяризацію мембрани до нуля, її перезарядження, або реверсію мембранного потенціалу, і подальшу реполяризацію мембрани, або відновлення мембранного потенціалу спокою. У ході реполяризації спостерігається слідовий негативний і слідовий позитивний поте­нціали (слідова деполяризація і слідова гіперполяризація).

Таким чином, висхідна частина потенціалу дії відображає зміну потенціа­лу внутрішньої поверхні мембрани від потенціалу спокою (-70 мВ) до потенціа­лу перезарядженої мембрани (+40 мВ). Тому амплітуда потенціалу дії складає­ться з суми цих абсолютних значень і становить 110 мВ. Отже, амплітуда поте­нціалу дії перевищує мембранний потенціал спокою і це перевищення називають овершутом.

Виникає питання: "Як Генерується потенціал дії?" Автор першої мембранної теорії Ю.Бернштейн (1902) припускав, що під час збудження підвищується на короткий час проникність мембрани для всіх іонів, унаслідок чого мембрана деполяризується до нуля, тому амплітуда потенціалу дії не повинна перевищувати величину мембранного потенціалу спокою. Проте виявлення овершута не узгоджувалось з теорією Ю.Бернштейна.

Неузгодженість між теорією і експериментом вдалось ліквідувати у 50-х ро­ках А.Ходжкіну і Е.Хакслі, котрі довели, що під час генерації потенціалу дії ко роткочасно і різко (у 500 разів) підвищується проникність мембрани для натрію. Співвідношення коефіцієнтів проникності мембрани гігантського аксона кальмара під час збудження для іонів мас такий характер:

Рк:Р_Nа:Рс_l =1:20:0,45.

У результаті такою підвищення проникності іони натрію з міжклітинної рі­дини, де ії концентрація висока, лавиноподібно проникають у клітину, вносячи туди позитивні заряди. Внаслідок цього негативний заряд внутрішньої поверхні мембрани змішується спочатку до нуля (повна деполяризація мембрани). Після цього внутрішня поверхня мембрани набуває позитивного заряду і на рівні мак­симальної амплітуди або піка потенціалу дії мембранний потенціал стає реверси­вним і досягає +30...+ 40 мВ. Унаслідок реверсії мембранного потенціалу виникає різниця потенціалів ззовні мембрани між збудженою ділянкою (негативний за­ряд) і незбудженими (позитивний заряд). Отже, за висхідну частину потенціалу дії відповідають котити натрію, які, надходячи в клітину, зміщують заряд вну­трішньої поверхні мембрани від негативних до позитивних значень.

Проникність мембрани для натрію підвищується на дуже короткий час (0,5-1,5 мс). Після цього розвивається інактивація натрієвої провідності мембрани і підвищення калієвої провідності (в 10-15 разів). Завдяки цьому відбувається відновлення мембранного потенціалу спокою, або реполяризація мембрани. Отже, за низхідну частину потенціалу дії відповідають іони калію, які, виходячи з клі­тини, зміщують заряд внутрішньої поверхні мембрани від позитивних до негати­вних значень.

Таким чином, потенціал дії виникає за рахунок проходження іонних потоків через мембрану: дифузія натрію в клітину призводить до перезарядки мембрани, а дифузія калію назовні відновлює вихідний потенціал спокою. Ці потоки рівні за величиною, але зсунуті в часі. Участь натрію в Генерації потенціалу дії підтвер­джується залежністю його амплітуди від зовнішньоклітинної концентрації натрію: із її зниженням зменшується амплітуда потенціалу дії.

Методом фіксації потенціалу на мембрані вдалось виміряти і проаналізу­вати вхідний натрієвий і вихідний калієвий струми під час генерації потенціа­лів дії. Встановлено, що натрієвий струм блокується тетродотоксином, а каліє­вий - тетраетиламонієм. Переміщення натрію і калію через мембрану під час генерації потенціалів дії доведено за допомогою ізотопного методу. У нервових волокнах і скелетних м'язових волокнах вхідний струм під час Генерації потенціа­лів дії переноситься тільки катіонами натрію. У тілі нейронів, кардіоміоцитах і гладком'язових клітинах у перенесенні вхідного струму беруть участь і катіони кальцію. Кальцієвий струм блокується верапамілом і катіонами полівалентних металів.

Згідно сучасних даних, в основі підвищення натрієвої, калієвої і кальцієвої проникності мембрани під час генерації потенціалів дії лежить відкривання, або активація деполяризацією відповідно натрієвих, калієвих і кальцієвих потенціалозалежних каналів, активаційні ворота яких при мембранному потенціалі спо­кою закриті. У натрієвих і кальцієвих іютенціалозалежних каналах передбачається існування й інактиваційних воріт. Інактивація натрієвої провідності пов'язана і закриванням інактиваційних воріт. У цих каналах деполяризація викликає спо­чатку відкривання активаційних воріт, а потім - закривання інактиваційних. Інактивація натрієвих каналів припиняє розвиток піка потенціалу дії і забезпечує розвиток тимчасової незбудливості - рефрактерності. Інактиваційні ворота відкриваються, а активаційні закриваються внаслідок реполяризації мембрани.