Проведение возбуждения

Потенциал действия, возникнув в одном участке нервной клетки, быстро распространяется по всей ее поверхности. Распространение потенциала действия обусловлено возникновением так называемых локальных токов, циркулирующих между возбужденным и невоз­бужденным участками клетки. В состоянии покоя внеш­няя поверхность клеточной мембраны имеет положи­тельный потенциал, а внутренняя — отрицательный. В момент возбуждения полярность мембраны изменяется на обратную: ее внешняя поверхность заряжена отри­цательно по отношению к внутренней (рис. 33). В ре­зультате этого между возбужденным и невозбужденным участками мембраны (В и H на рис. 33) имеется раз­ность потенциалов. Наличие разности потенциалов при­водит к появлению между этими участками электриче­ских токов, называемых локальными токами или токами действия. На поверхности клетки локальный ток течет от невозбужденного участка к возбужденному; внутри клетки он течет в обратном направлении. Локальный ток, как и любой электрический ток, оказывает раздра­жающее действие на соседние невозбужденные участки и вызывает увеличение проницаемости их мембран. Это приводит к снижению в них потенциала покоя. Когда деполяризация достигает критического значения, в этих участках возникают потенциалы действия, а в том участке, который ранее был возбужденным, в это время уже происходят восстановительные процессы реполяри-

185

зации. Вновь возбужденный участок в свою очередь ста­новится электроотрицательным и возникающий локаль­ный ток раздражает следующий за ним участок. Этот процесс многократно повторяется и обусловливает рас­пространение импульсов возбуждения по всей длине клетки в обоих направлениях. В нервной системе про­хождение импульсов только в определенном направле­нии обусловлено наличием синапсов, обладающих одно­сторонней проводимостью.

Под влиянием локальных токов волна возбуждения распространяется вдоль волокна без затухания (бездекрементное проведение). Это обусловлено тем, что ло­кальные токи только деполяризуют мембрану до крити­ческого уровня, а потенциалы действия в каждом участке мембраны поддерживаются независимыми ион­ными потоками, перпендикулярными к направлению рас­пространения возбуждения.

Скорость уменьшения мембранного потенциала до критического уровня зависит от разности потенциалов между возбужденным и невозбужденным участками и от кабельных свойств волокна: электрической емкости и сопротивления мембраны, сопротивлений аксоплазмы и окружающей среды. Кабельные свойства волокна обес­печивают деполяризацию мембраны до критического уровня, а последующая диффузия натрия в клетку уси­ливает деполяризацию и обеспечивает незатухающее проведение импульса. Количественно процесс может быть представлен следующим образом. Скорость рас-

186

пространения потенциала действия определяется в ос­новном тем временем, которое необходимо для критиче­ской деполяризации мембраны. Обозначим деполяриза­цию до критического уровня ΔFi. Тогда ΔFi, емкость С мембраны и заряд Δq, необходимый для деполяризации мембраны на ΔFi, будут связаны известным из физики соотношением:

(9)

Заряд мембраны и ее потенциал изменяется вследствие протекания локального тока I. Тогда время t, в течение которого заряд мембраны изменится на Δq, а потен­циал на ΔFi, будет равно:

(10)

^{Из уравнений (9) и (10) получим:}

(11)

Величина локального тока I по закону Ома определя­ется разностью потенциалов V между возбужденным и невозбужденным участками мембраны и сопротивлени­ем R всех участков, по которым протекает локальный ток:

(12)

Сопротивление R суммируется из сопротивлений всех последовательных участков, по которым протекает ло­кальный ток: мембраны, цитоплазмы, окружающей клет­ку жидкости. В основном оно определяется сопротивле­нием мембраны. Подставляя значение I в уравнение (11), получим:

( 13)

Учитывая, что ΔFi и V величины постоянные, можно на­писать:

(14)

где k — коэффициент пропорциональности.

187

Уравнение (14) показывает, что время деполяриза­ции мембраны и, следовательно, время проведения воз­буждения пропорциональны произведению RС, назы­ваемому постоянной времени мембраны. Тогда скорость проведения возбуждения будет обратно пропорциональ­на постоянной времени мембраны.

Согласно рассмотренной теории локальных токов, скорость проведения возбуждения должна иметь обрат­ную зависимость от сопротивления внешней среды и цитоплазмы. Это положение получило эксперименталь­ное подтверждение. Так, когда нервные волокна перено­сили из морской воды в масло, имеющее более высокое удельное сопротивление, то скорость проведения импуль­сов уменьшалась в 1,3 — 2 раза в зависимости от диа­метра волокна. Напротив, при уменьшении сопротивле­ния внешней среды путем помещения волокна на метал­лические полоски с закороченными концами скорость проведения импульса возрастала на 16%. Такой не­большой эффект обусловлен тем, что нервное волокно, имеющее цилиндрическую форму, контактирует с метал­лом на небольшом участке.

Скорость проведения импульса возрастает с увеличением диаметра волокна. Это объясняется тем, что с увеличением диаметра уменьшается сопротивление, прихо­дящееся на единицу длины волокна.

В нервных волокнах характер распространения воз­буждения зависит от наличия, или отсутствия в них миелиновых оболочек. В безмякотных волокнах возбужде­ние распространяется непрерывно вдоль всей мембраны. Все участки мембраны при этом в свое время стано­вятся возбужденными. В мякотных нервных волокнах возбуждение распространяется несколько по иному. Мякотные нервные волокна имеют толстые миелиновые оболочки, которые через 1 — 3 мм прерываются с обра­зованием так называемых перехватов Ранвье (см. рис. 33, II). В электрическом отношении миелин явля­ется изолятором; его удельное сопротивление в 10 млн. раз превышает удельное сопротивление раствора Рингера. В результате этого локальные токи через миелино­вые оболочки протекать не могут; они циркулируют между перехватами Ранвье. При возбуждении одного пе­рехвата Ранвье между ним и следующим перехватом возникают локальные токи и импульс как бы переска­кивает на второй перехват, со второго — на третий и т.д.

₁₈₈

Такой способ проведения нервного импульса называется сальтаторным. При блокировании одного перехвата Ранвье каким-либо анестезирующим веществом, напри­мер кокаином, импульс сразу передается на третий пе­рехват. При блокировании сразу двух перехватов им­пульс дальше распространяться не может: сопротивле­ние между первым и четвертым перехватами велико, и локальный ток между ними не достигает порогового значения.

В результате сальтаторного способа передачи скоро­сть распространения нервного импульса в мякотных во­локнах примерно в 10 раз выше, чем в безмякотных, при одинаковом диаметре волокон. Помимо этого, сальтатор-ный способ проведения возбуждения является более эко­номичным, поскольку в этом случае ионные потоки про­ходят не через всю поверхность клетки, как при непре­рывном распространении, а только через поверхность в области перехватов Ранвье.

СВЯЗЬ МЕМБРАННЫХ ПОТЕНЦИАЛОВ С ОБМЕНОМ ВЕЩЕСТВ

Согласно мембранной теории, мембранные потенциа­лы непосредственно зависят от величины концентрацион­ных градиентов калия и натрия, а также от проницаемо­сти мембраны. Цитоплазма непосредственного участия в генерировании потенциалов не принимает. Поэтому если теория действительно справедлива, то цитоплазму можно заменить раствором солей соответствующего со­става. Такие опыты были проделаны вначале Бейкером и Шоу, а затем Ходжкиным и другими исследователя­ми. Они брали гигантский аксон кальмара и с помощью специального катка выдавливали из него аксоплазму. В освободившийся конец аксона вводили изотонический раствор сернокислого калия. Этот метод получил назва­ние перфузии аксона.

Оказалось, что нервные волокна, перфузированные раствором К₂SO₄, а также растворами других солей ка­лия, мало чем отличались от обычных интактных воло­кон. Потенциалы покоя и действия имели обычную ве­личину 50 — 70 и 100 —110 мВ соответственно. Потенциал действия был таким же по форме, как и у обычных во­локон. Перфузированные волокна могли жить в течение нескольких часов в морской воде и проводили около

189

300 000 импульсов. Эти тонкие и остроумные опыты яви­лись важным аргументом в пользу мембранной теории. Полученные данные крайне трудно объяснить с позиций других теорий биопотенциалов. Эти опыты показали, что непосредственным источником энергии для возникнове­ния потенциалов служат ионные градиенты калия и нат­рия. В значительном диапазоне изменений концентра­ций этих ионов снаружи и внутри волокна величины мембранных потенциалов соответствовали значениям, вычисленным по уравнению Нернста. Если наружную концентрацию калия делали равной внутренней или же вместо калия вводили в аксон натрий, то потенциал по­коя становился равным нулю. Когда концентрацию нат­рия внутри аксона делали равной концентрации натрия в жидкости, окружающей волокна, то способность клет­ки к генерированию потенциалов действия исчезала.

Опыты с перфузированными волокнами также пока­зали, что возникновение мембранных потенциалов не­посредственно не связано с метаболическими процессами клетки. Влияние метаболических процессов на мембран­ные потенциалы проявляется опосредованно. В резуль­тате обмена веществ, в частности протекания окисли­тельных процессов, клетка обеспечивается энергией. Часть общей энергии клетки расходуется на поддержа­ние ионных градиентов, т. е. на работу натрий-калиево­го насоса.

Если действием ингибиторов блокировать образова­ние макроэргических соединений, то ионные градиенты начинают падать. Однако нерв способен и после этого генерировать большое количество импульсов — до не­скольких сотен тысяч. Естественно, что амплитуда им­пульсов будет постепенно понижаться и при значитель­ном уменьшении ионных градиентов способность клетки к возбуждению исчезает. Однако если в такую клетку ввести АТФ, то ионные градиенты могут вновь восста­новиться и клетка сможет генерировать потенциалы действия. Таким образом, ингибиторы не подавляют ге­нерирование потенциалов, но ускоряют утомление кле­ток. Энергия АТФ необходима не для генерирования по­тенциала действия, а для восстановления после возбуж­дения исходного состояния клетки.

На основании вышеизложенного можно сделать за­ключение, что в мембране существуют две системы: одна связана с обменом веществ и ответственна за ак-

₁₉₀

тиный транспорт ионов и за поддержание ионных гра­диентов; другая система, относительно независимая от обмена веществ, регулирует движение ионов натрия и калия в направлении их концентрационных градиентов при генерировании потенциала действия. Эта регуляция осуществляется путем изменения проницаемости мембра­ны. Указанные две системы обладают разными свойст­вами и их можно различить несколькими способами. Так, сердечные гликозиды не влияют на потенциалы действия, но подавляют активный перенос ионов (см. главу 6). А изменение концентрации двухвалентных ионов, в частности кальция, в наружном растворе вызы­вает существенное изменение возбудимости, но не ока­зывает ощутимого влияния на ионные насосы. Рассмат­риваемые системы отличаются друг от друга и своей из­бирательностью к ионам. Например, литий, которым можно заменить натрий при генерировании потенциала действия, совсем не откачивается натриевым насосом. Наконец, важное отличие этих систем заключается и в том, что максимальная скорость, с которой осуществля­ется активный перенос ионов, равна для аксона кальма­ра примерно 50 пикомоль/см²*с, тогда как при генериро­вании потенциала действия скорость движения ионов до­стигает 10 000 пикомоль/см²*с.

Активный перенос ионов в клетках пропорционален интенсивности метаболических процессов. Любые фак­торы, изменяющие интенсивность метаболических про­цессов (температура, ингибиторы и др.), могут изменять величину ионных градиентов и, следовательно, величину мембранных потенциалов. В связи с этим между двумя участками ткани с разной интенсивностью обменных процессов возникают так называемые метаболические потенциалы, величина которых достигает 50 — 100 мВ. Такие потенциалы существуют, например, между осве­щенной и неосвещенной частями листа растения, между частями железы с разной секреторной активностью и пр. При этом более активный участок ткани является элек­троположительным по отношению к менее активному. В настоящее время многие исследователи указывают, что мембранные потенциалы могут иметь более тесную связь с обменом веществ. Об этом свидетельствует скорость, с которой потенциал покоя может уменьшаться при утомлении. В некоторых случаях при изучении температурных зависимостей потенциала покоя было об-

191

наружено, что температурные коэффициенты значитель­но превышают значения, которые можно было бы ожи­дать из уравнения Нернста. После обработки клеток строфантином потенциал покоя уменьшался, в то же время температурные коэффициенты приближались к значениям, предсказываемым уравнением Нернста. На основе экспериментов такого характера пришли к вы­воду, что в некоторых случаях потенциал покоя может быть обусловлен не только диффузией ионов калия, но и активным 'переносом ионов натрия из цитоплазмы во внешнюю среду. Как указывалось в главе 6, натрий-калиевый насос может работать в нескольких режимах. Если он переносит только ионы натрия, и не переносит ионы калия, то на внешней поверхности мембраны воз­никает некомпенсированный положительный заряд. Вследствие этого между поверхностями мембраны возни­кает «насосная» разность потенциалов, которая сумми­руется с разностью потенциалов, обусловленной диффу­зией калия. Описанный режим работы натрий-калиевого насоса называется электрогенным, а сам натрий-калиевый насос является в этом случае химико-электрическим преобразователем, питаемым энергией, освобождающей­ся в ходе обмена веществ. Поскольку биохимические процессы, лежащие в основе работы насоса, имеют бо­лее высокие температурные коэффициенты, чем диффу­зия, то и температурные зависимости потенциала покоя оказываются более выраженными. После выключения насоса строфантином потенциал покоя уменьшался и в то же время температурные зависимости становились менее крутыми.

Природа изменений проницаемости мембраны при возбуждении в настоящее время исследована слабо. Вопрос о природе изменений ионной проницаемости воз­будимой мембраны при генерировании потенциалов является одним из центральных в современной биофизи­ке клетки. В настоящее время нет методов прямого на­блюдения тех молекулярных перестроек, которые проис­ходят в мембране при действии раздражителей. И всю информацию о механизмах изменения ионной проницае­мости приходится извлекать из косвенных данных, полу­ченных в" опытах с воздействием на клетки различных физических и химических факторов.

Тот факт, что проницаемость мембраны является функцией мембранного потенциала, позволяет предпо-

192

лагать, что изменение проницаемости происходит в ре­зультате движения каких-то заряженных частиц в мем­бране или на ее поверхности, способных блокировать или открывать ионные каналы.

Еще давно было замечено, что при удалении из внеш­ней среды ионов кальция клетки начинают спонтанно генерировать потенциалы действия. Напротив, при повы­шении концентрации кальция во внешней среде порог раздражения для клеток повышается. На основании это­го Гордон сделал предположение, что ионы кальция регулируют проницаемость мембраны для натрия и ка­лия. Согласно его гипотезе, ионы кальция, притягиваясь к отрицательно заряженной внутренней поверхности мембраны, играют как бы роль привратников, закрывая вход в поры, через которые проникают ионы натрия и калия. При уменьшении потенциала покоя ионы каль­ция удаляются со своих мест и одновалентные ионы получают возможность проникать через мембрану.

В последующем эта модель подвергалась теоретиче­ской и экспериментальной проверке. Согласно послед­ним данным С. Н. Фишмана, Б. И. Ходорова, М. В. Волькенштейна, эта модель не может дать количественного описания одновременно двух связанных между собой яв­лений: зависимости проницаемости для натрия от мем­бранного потенциала и смещения этой кривой вдоль оси напряжения при изменении концентрации кальция в омывающем растворе. Предполагают, что изменение проницаемости при деполяризации обусловлено движе­нием частиц с зарядом, который больше четырех эле­ментарных и что это движение каким-то образом свя­зано с адсорбцией и десорбцией ионов кальция. Это движение, по мнению названных авторов, может быть представлено простым перемещением заряженной моле­кулы, поворотом диполя или конформационным превра­щением макромолекулы.

В последнее время известным нейрофизиологом Тасаки развивается теория возбуждения мембраны, основан­ная на физико-химических представлениях, полученных при изучении свойств искусственных мембран. Возбуди­мая мембрана рассматривается им как макромолекулярный комплекс белков и фосфолипидов. Относитель­ный избыток фиксированных отрицательных зарядов в наружном слое мембраны придает ей катионообменные свойства. В состоянии покоя заряженные участки мем-