Мембранные потенциалы

Все клеточные мембраны поляризованы, т. е. регистрируется раз­ность потенциалов между наружной и внутренней стороной мембраны. Эта разность потенциалов получила название мембранный потенциал (МП), а в возбудимых тканях — мембранный потенциал покоя (МПП). Величина МПП возбудимых клеток составляет от -50 мВ до -90 мВ.

Механизм формирования МПП объясняет мембранно-ионная тео­рия. Мембрана клеток возбудимых систем характеризуется наличием градиента катионов и анионов. Внутреннее содержимое клетки пред­ставлено преимущественно катионами калия и анионами органических кислот. Снаружи клетки находятся катионы натрия и анионы хлора. В состоянии покоя клеточная мембрана хорошо проницаема для ионов калия (в скелетных мышечных волокнах и для ионов хлора), менее про­ницаема для ионов натрия и практически непроницаема для анионов органических кислот. Ионы калия по градиенту концентрации путем простой диффузии диффундируют из клетки через калиевые каналы утечки, заряжая наружную поверхность мембраны электроположитель­но. Анионы органических кислот остаются в клетке, тем самым обеспе­чивая появление разности потенциалов. Таким образом, внутренняя поверхность мембраны становится электроотрицательной по отноше­нию к наружной ее поверхности. Эта разность потенциалов называется мембранным потенциалом покоя. Возникшая разность потенциалов препятствует дальнейшему выходу ионов калия из клетки, наступает равновесие между диффузией калия из клетки по концентрационному градиенту и входом этих катионов по электрическому градиенту. Мем­бранный потенциал, при котором достигается это равновесие, называ­ется равновесным калиевым потенциалом. При изменении градиента ионов калия на мембране происходит изменение МПП. Функциональ­ное значение МПП заключается в готовности клетки принимать ин­формацию, т. е. реагировать на воздействия.

В состоянии покоя мембрана нервных клеток незначительно прони­цаема для ионов натрия и хлора, и вклад этих ионов в формирование МПП в нейронах невелик. Величина МПП нейронов в среднем состав­ляет -70 мВ. Мембрана скелетных мышечных волокон в состоянии по­коя относительно хорошо проницаема для ионов хлора, что приводит к увеличению трансмембранной разности потенциалов до -90 мВ. Снижение МПП носит название деполяризация, а его увеличение — гиперполяризация.

Постоянство концентрации ионов калия и натрия на мембране обес­печивается работой натрий-калиевого насоса (натрий-калиевой АТФа-зы). Это интегральный белок, выполняющий функцию транспорта ио­нов калия в клетку и натрия из клетки. Используя одну молекулу АТФ насос выносит из клетки 3 иона натрия и вносит 2 иона калия. Таким образом, при работе насоса формируется дополнительный заряд мем­браны — насосный потенциал. Следовательно, МПП нейрона имеет две составляющих: концентрационный потенциал и насосный потенциал, а натрий-калиевый насос обладает электрогенными свойствами, т. е. при работе формирует дополнительный заряд на мембране. Работа насоса блокируется сердечным гликозидом оуабаином. При блокаде насоса со временем происходит выравнивание концентраций натрия и калия на мембране и, как следствие, снижение МПП. Активация работы насоса происходит при увеличении концентрации натрия внутри клетки и (или) увеличении концентрации калия на наружной поверхности мембраны.

При действии на клетку раздражителя наблюдается быстрое измене­ние заряда мембраны, снижение ММП и даже изменение заряда на про­тивоположный. Этот процесс получил название процесс возбуждения. Возбуждение может протекать в двух формах: местное возбуждение (локальный ответ, ЛО) и распространяющееся возбуждение (потенциал действия, ПД).

В зависимости от силы раздражители делятся на пороговые, подпо-роговые и сверхпороговые. Порог раздражения — это минимальная сила раздражителя, которая вызывает ответ клетки в форме ПД. Подпо-роговые раздражители вызывают местное возбуждение. Раздражители пороговой силы снижают МПП до некоторой величины, которая назы­вается критическим уровнем деполяризации (КУД). При достижении КУД на мембране открываются потенциал-управляемые натриевые и калиевые каналы. Проницаемость мембраны для ионов натрия резко повышается, натрий лавинообразно устремляется внутрь клетки, что вызывает перезарядку мембраны, внутренняя сторона которой стано­вится электроположительной по отношению к наружной. Эта фаза ПД называется быстрая деполяризация. При достижении пика ПД прони­цаемость мембраны для ионов натрия резко падает, а проницаемость для ионов калия становится максимальной. Ионы калия выходят из клетки через потенциал-управляемые каналы, в результате чего проис­ходит восстановление МПП. Эта фаза называется быстрая реполяриза-ция. Амплитуда ПД составляет 100—120 мВ, длительность 2—5 мс. Электровозбудимые натриевые каналы имеют два типа ворот — акти-вационные (m) и инактивационные (h) — и могут находиться в трех состояниях:

• закрыты, готовы к работе (при МПП);

• открыты, т. е. активированы (фаза быстрой деполяризации ПД);

• инактивированы (пик ПД и начало фазы реполяризации). Электровозбудимые калиевые каналы имеют только один тип ворот

(активационные) и поэтому могут находиться в двух состояниях:

• закрыты, готовы к работе (при МПП);

• открыты, т. е. активированы (фаза де- и реполяризации). ПД может сопровождаться следовыми процессами:

• отрицательный следовой потенциал (следовая деполяризация);

• положительный следовой потенциал (следовая гиперполяризация).

Величина порога раздражения определяется соотношением МПП и КУД мембраны: порог = МПП - КУД.

Порог является мерой возбудимости мембраны. Увеличение порога раздражения свидетельствует о понижении возбудимости, понижение порога — о повышении возбудимости мембраны.

При действии на мембрану подпороговых раздражителей деполяри­зация не достигает критического уровня и ПД не возникает, формиру­ется местное возбуждение. Местное возбуждение обладает следующи­ми свойствами:

1) амплитуда зависит от силы раздражителя;

2. распространяется по мембране с затуханием, т. е. с уменьшением амплитуды;

3. способно к суммации и может перерасти в ПД, если деполяриза­ция достигнет КУД;

4) возбудимость мембраны повышается, т. к. МПП приближается

к КУД.

Свойства ПД:

1. возникает при действии пороговых и сверхпороговых раздражи­телей. Амплитуда не зависит от силы раздражителя. Всегда максимален по величине, т. е. подчиняется закону «Все или ничего»;

2. распространяется по мембране без изменения амплитуды.

Во время развития ПД наблюдается изменение возбудимости мем­браны:

а) фаза быстрой деполяризации — возбудимость резко падает. Раз- вивается состояние полной невозбудимости (абсолютный рефрактер- ный период);

б) фаза быстрой реполяризации — возбудимость постепенно восста- навливается (относительный рефрактерный период);

в) следовая деполяризация — возбудимость повышена;

г) следовая гиперполяризация — возбудимость понижена. Состояние рефрактерности мембраны обусловлено полной или час- тичной инактивацией электровозбудимых натриевых каналов.

Значение рефрактерного периода заключается в обеспечении дис­кретности ПД. Рефрактерность в свою очередь определяет лабильность возбудимой ткани. Лабильность — это способность возбудимых сис­тем воспроизводить ритм раздражения в свойственных им реакциях. Длительность рефрактерного периода определяет лабильность ткани: чем длиннее рефрактерный период, тем меньше лабильность. Мерой лабильности является максимальная частота элементарных актов воз­буждения, которые может воспроизводить возбудимая система в стро­гом соответствии с ритмом стимуляции. Высокой лабильностью обла­дают нервные волокна от 500 до 1000 имп/с, меньшей — мышечные — до 250 имп/с, самой низкой лабильностью характеризуется синапс — 100 имп/с.

Функционирование №- и К-электровозбудимых каналов обеспечи­вает процесс возбуждения в клетках, поэтому большой интерес пред­ставляют вещества, изменяющие активность каналов. Часть этих ве­ществ имеют естественное происхождение (природные нейротоксины), часть — синтетические препараты. К природным блокаторам потенци-ал-управляемых натриевых каналов относится тетродотоксин — алка­лоид животного происхождения, выделяемый из рыбы фуку. Этот яд действует снаружи, формируя пробку в канале. По-иному действует батрахотоксин, секрет кожных желез колумбийской лягушки. Он бло­кирует быструю инактивацию канала, увеличивая период его открытия, что приводит к стойкой деполяризации мембраны. Подобным образом действует растительный алкалоид аконитин. Местные анестетики (новокаин, лидокаин, бензокаин, тетрокаин), которые по химической природе являются третичными аминами, препятствуют генерации ПД в нервных волокнах, встраиваясь между m- и h-воротами. Электровоз­будимые калиевые каналы блокирует тетраэтиламмоний.