1. Мембранный потенциал, потенциал покоя (пп). Потенциал действия (пд). Порог и возбудимость. Закон “все или ничего”. Ионные токи. Активация и инактивация натриевой системы.

Мембранный потенциал, также трансмембранный потенциал или напряжение мембраны, иногда потенциал Нернста — разница в электрическом потенциале (электрический градиент), возникающая между зарядами внутренней и внешней стороны полупроницаемой мембраны (в частном случае мембраны клетки). Что касается внешней поверхности клетки, то типичные значения мембранного потенциала для неё располагаются в диапазоне от -40 мВ до -80 мВ.

Физические основы

Ионы и сила, обуславливающая их движение

Электрические сигналы, возникающие внутри биологических организмов, обусловлены движением ионов^[1]. Наиболее важные катионы для потенциала действия являются катионы натрия (Na⁺) и калия (K⁺)^[2]. Оба этих одновалентных катионов несут один положительный заряд. В потенциале действия может также участвовать катион кальция (Ca²⁺)^[3] , он представляет собой двухвалентный катион, несущий двойной положительный заряд. Анион хлора (​​Cl^-) играет важную роль в потенциалах действия некоторых водорослей^[4], однако, в потенциалах действия большинства животных принимает лишь небольшое участие^[5].

Ионные насосы

Ионный насос — это транспортная система, обеспечивающая перенос иона с непосредственной затратой энергии вопреки концентрационному и электрическому градиентам^[6].

Ионные каналы

Ионные каналы являются интегральными мембранными белками, через поры, которых ионы могут перемещаться из межклеточного пространства во внутрь клеток и наоборот. Большинство ионных каналов проявляют высокую специфичность (селективность) по отношению к одному иону. Так, например, большинство калиевых каналов характеризуются высоким коэффициентом селективности катионов калия над катионами натрия в отношении 1000:1, хотя ионы калия и натрия имеют одинаковый заряд и лишь незначительно отличаются по радиусам. Пора канала, как правило, настолько мала, что ионы должны пройти через неё в одном порядке^[7] .

Потенциа́л поко́я — мембранный потенциал возбудимой клетки (нейрона, кардиомиоцита) в невозбужденном состоянии. Он представляет собой разность электрических потенциалов, имеющихся на внутренней и наружной сторонах мембраны и составляет у теплокровных от −55 до −100 мВ^[1]. У нейронов и нервных волокон обычно составляет −70 мВ.

Возникает вследствие диффузии положительно заряженных ионов калия в окружающую среду из цитоплазмы клетки в процессе установления осмотического равновесия. Анионы органических кислот, нейтрализующие заряд ионов калия в цитоплазме, не могут выйти из клетки, однако ионы калия, концентрация которых в цитоплазме велика по сравнению с окружающей средой, диффундируют из цитоплазмы до тех пор, пока создаваемый ими электрический заряд не начнёт уравновешивать их градиент концентрации на клеточной мембране.

Потенциа́л де́йствия — волна возбуждения, перемещающаяся по мембране живой клетки в виде кратковременного изменения мембранного потенциала на небольшом участке возбудимой клетки (нейрона или кардиомиоцита), в результате которого наружная поверхность этого участка становится отрицательно заряженной по отношению к внутренней поверхности мембраны, в то время, как в покое она заряжена положительно. Потенциал действия является физиологической основой нервного импульса.

Благодаря работе «натрий-калиевого насоса» концентрация ионов натрия в цитоплазме клетки очень мала по сравнению с окружающей средой. При проведении потенциала действия открываются потенциал-зависимые натриевые каналы и положительно заряженные ионы натрия поступают в цитоплазму по градиенту концентрации, пока он не будет уравновешен положительным электрическим зарядом. Вслед за этим потенциал-зависимые каналы инактивируются и отрицательный потенциал покоя восстанавливается за счёт диффузии из клетки положительно заряженных ионов калия, концентрация которых в окружающей среде также значительно ниже внутриклеточной.

Фазы потенциала действия

1. Предспайк — процесс медленной деполяризации мембраны до критического уровня деполяризации (местное возбуждение, локальный ответ).

2. Пиковый потенциал, или спайк, состоящий из восходящей части (деполяризация мембраны) и нисходящей части (реполяризация мембраны).

3. Отрицательный следовой потенциал — от критического уровня деполяризации до исходного уровня поляризации мембраны (следовая деполяризация).

4. Положительный следовой потенциал — увеличение мембранного потенциала и постепенное возвращение его к исходной величине (следовая гиперполяризация).

(«Всё или ничего́» зако́н) в физиологии, положение, согласно которому возбудимая ткань (нервная и мышечная) в ответ на действие раздражителей якобы или совсем не отвечает на раздражение, если величина его недостаточна (ниже порога), или отвечает максимальной реакцией, если раздражение достигает пороговой величины; с дальнейшим увеличением силы раздражения величина и длительность ответной реакции ткани не меняются. «В. и. н.» з. был сформулирован на основе расширительно истолкованных данных, полученных Х. Боудичем (США, 1871) при раздражении желудочка сердца лягушки. Дальнейшие исследования показали относительность этого закона (точнее, правила): при силе раздражителя, близкой к пороговой, в раздражаемом участке возникает местный ответ; при силе раздражителя, превышающей пороговую, ответная реакция, регистрируемая по потенциалу действия (см. Биоэлектрические потенциалы), может возрастать в зависимости от состояния раздражаемой ткани.

Проводимость мембраны. Ионные токи во время потенциала действия. Во время потенциала действия происходит кратковременное изменение проницаемости мембраны для ионов, определяющих величину потенциала покоя. Когда речь идет об электрических свойствах мембраны, удобной мерой проницаемости мембраны для иона служит проводимость мембраны g(ion). Проводимость определяется отношением тока I(ion) к движущему потенциалу. При равновесном потенциале для рассматриваемого иона, E(ion) , движущий потенциал и суммарный ток равны нулю; следовательно, E(ion) является референтным потенциалом, и отклонение мембранного потенциала Е от E(ion) составляет ту разность потенциалов, которая создает ток I(ion) Следовательно, проводимость g(ion) описывается уравнением Теперь мы можем продолжить описание ионных токов во время потенциала действия, пользуясь только что введенным понятием проводимости для индивидуальных ионов. Ионные токи во время потенциала действия. Рис. 2.5. Временной ход потенциала действия в нейроне; показаны последовательные фазы потенциала действия, описанные в тексте Потенциал покоя, как было показано в предыдущем разделе, очень близок к уровню равновесного потенциала для ионов калия (K), для которых мембрана в состоянии покоя наиболее проницаема. Если во время потенциала действия внутренняя среда клетки приобретает положительный заряд по отношению к внеклеточной среде, то проводимость мембраны для натрия (Na+) (gNa) должна возрастать, потому что только равновесный потенциал для натрия (Na+) имеет более положительное значение ( + 60 мВ), чем пик потенциала действия. Это заключение подтверждается экспериментальными данными, согласно которым потенциалы действия могут генерироваться только при высокой внеклеточной концентрации натрия (Na+). При недостатке внеклеточного натрия (Na+) входящий натриевый ток не может нарастать, независимо о г того, в какой мере увеличивается gNa, и, следовательно, не может развиваться деполяризационная фаза потенциала действия. Таким образом, в основе возбуждения лежит повышение проводимости мембраны для натрия (Na+), вызываемое ее деполяризацией до порогового уровня. Однако в данном случае затрагивается также и проводимость мембраны для калия (K). Если повышение проводимости для калия (K) предотвратить некоторыми веществами, например тетраэтиламмонием, мембрана после потенциала действия реполяризуется гораздо медленнее. Это показывает, что повышение проводимости для калия (K) является важным фактором реполяризации мембраны. Итак, потенциал действия обусловлен циклическим процессом поступления натрия (Na+) в клетку и последующего выхода калия (K) из нее.

Натриевая система: инактивация

Быстрое снижение проводимости ионов натрия называется инактивацией Na+ - системы. Скорость и степень снижения зависят от потенциала. Эту зависимость можно оценить экспериментально. При поддерживании мембранного потенциала на определенном уровне в течение нескольких миллисекунд, до тех пор, пока инактивация проводимости ионов натрия не достигнет стационарного значения для данного уровня потенциала, можно измерить входящий Na+ - ток, вызванный возбуждением, которое началось от данного уровня потенциала. В результате таких опытов получается, что максимальный Na+ - ток может быть достигнут только при деполяризации от исходных уровней потенциала, примерно на 30 - 40 мВ более отрицательных, чем потенциал покоя . При исходных потенциалах, на 20 - 30 мВ более положительных, чем потенциал покоя, вообще нельзя вызвать Na+ -ток. Внутри этого диапазона исходных потенциалов проводимость Na+ может активироваться при деполяризации в той или иной степени, так, например, при деполяризации от исходного уровня, равного потенциалу действия , Na+ -система примерно на 40% инактивирована.

Потенциалозависимая инактивация Na+ - системы влияет на возбудимость клеток в различных условиях. Так, если потенциал действия клеток млекопитающих становится положительнее -50 мВ (например, при недостатке кислорода или под действием миорелаксантов типа сукцинилхолина), Na+ - система полностью инактивируется и клетка становится невозбудимой. Аналогичное действие оказывает повышение концентрации ионов кальция .