3.6. Локальный потенциал. Оценка проницаемости клеточной мембраны

А. Локальный потенциал. При раздражении возбудимой ткани не всегда возникает ПД. В частности, если сила раздражителя ма­ла, то деполяризация не достигнет критического уровня, естест­венно, не возникнет импульсного распространяющего возбужде­ния. В этом случае ответ ткани на раздражение будет носить фор­му локального потенциала. Локальными потенциалами возбудимых клеток также являются: возбуждающий постсинапти-ческий потенциал, рецепторные потенциалы, тормозный постси-наптический потенциал. Величина локальных потенциалов весьма вариабельна, она может достигать 10-30 мВ в зависимости от ви­да клеток. Свойства такого ответа существенно отличаются от импульсного (табл. 3.2).

1	2	3
Явление суммации Амплитуда Возбудимость ткани при возникновении потенциа­ла	Суммируется - возрас­тает при повторных частых подпороговых раздражениях 10-30 мВ Увеличивается	Не суммируется 80-110 мВ Уменьшается вплоть до полной невозбу­димости (рефрактер-ность)

Повышение возбудимости клетки во время локального потен­циала объясняется тем, что клеточная мембрана оказывается час­тично деполяризованной. Если Е_кр остается на постоянном уров­не, то для достижения критического уровня деполяризации во время локального потенциала нужен значительно меньшей силы раздражитель. Амплитуда ПД не зависит от силы раздражения, потому что он возникает вследствие регенеративного процесса. Причина невозбудимости клетки при возникновении ПД рас­сматривается в разделе 3.7.

Б. Состояние проницаемости клеточной мембраны можно опре­делить по скорости движения ионов в клетку или из клетки соглас­но концентрационному градиенту, т. е по проводимости ионов Na⁺ и К⁺ (gNa и gK), но при условии, что влияние электрического гра­диента на движение ионов исключено или оно постоянное. Послед­нее условие выполняется с помощью методики фиксации напряже­ния (voltage-clamp) на постоянном уровне. Изменения проводимо­сти ионов Na⁺ и К⁺ представлены на рис. 3.5.

Проницаемость клеточной мембраны для ионов СЬ во время развития ПД не изменяется. Естественно, ион СЬв возникновении ПД участия не принимает.

3.7. Изменения возбудимости клетки во время ее возбуждения. Лабильность

А. Возбудимость клетки во время ее возбуждения быстро и сильно изменяется. Различают несколько фаз изменения возбуди­мости, каждая из которых строго соответствует определенной фа­зе ПД и, так же как и фазы ПД, определяется состоянием прони­цаемости клеточной мембраны для ионов. Схематично эти изме­нения представлены на рис. 3.6,6.

1. Кратковременное повышение возбудимости в начале развития ПД, когда уже возникла частичная деполяризация клеточной мембраны. Если деполяризация не достигает критической вели­чины, то регистрируется локальный потенциал. В случае, если де­поляризация достигает Е_кр, то развивается ПД. При замедленном развитии начальной деполяризации она оценивается как препо-тенциал. Возбудимость повышена потому, что клетка частично деполяризована, мембранный потенциал приближается к крити­ческому уровню, поскольку открывается часть потенциалчувстви­тельных быстрых Na-каналов. При этом достаточно небольшого увеличения силы раздражителя, чтобы деполяризация достигла Е_кр, при которой возникает ПД.

2. Абсолютная рефрактерная фаза - это полная невозбудимость клетки (возбудимость равна нулю), она соответствует пику ПД и продолжается 1-2 мс; если ПД более продолжителен, то более про­должительна и абсолютная рефрактерная фаза. Клетка в этот период при любой силе раздражения не отвечает. Невозбудимость клетки в фазу деполяризации и инверсии (в первую ее половину - восходящая часть пика ПД) объясняется тем, что потенциалзависимые т-ворота Na-каналов уже открыты и ионы Na⁺ быстро поступают в клетку по всем каналам. Те ворота Na-каналов, которые еще не успели от-

крыться, открываются под влиянием деполяризации - уменьшения мембранного потенциала. Поэтому дополнительное раздражение клетки относительно движения ионов Na⁺ в клетку ничего изменить не может. Именно поэтому ПД либо совсем не возникает на раздра­жение, если оно мало, либо возникает максимальным, если оно дос­таточной силы (пороговой или сверхпороговой). В период нисходя­щей части фазы инверсии и реполяризации клетка невозбудима по­тому, что закрываются инактивационные h-ворота Na-каналов, в результате чего клеточная мембрана непроницаема для иона Na⁺ да же при сильном раздражении. Кроме того, в этот период открывают­ся уже в большом количестве К-каналы, К⁺ быстро выходит из клет­ки, обеспечивая нисходящую часть фазы инверсии и реполяризацию. Абсолютная рефрактерная фаза в процессе реполяризации продол­жается до момента, когда мембранный потенциал будет примерно на уровне Екр. В это время около половины №⁺-каналов возвращается в исходное состояние, поэтому возможна их новая активация. Абсо­лютный рефрактерный период ограничивает максимальную часто­ту генерации ПД. Если абсолютный рефрактерный период завер­шается через 2 мс после начала ПД, то клетка может вожбуждаться с частотой максимум 500 имп/с. Существуют клетки с еще более корот­ким рефрактерным периодом, в которых возбуждение может в край­них случаях повторяться с частотой 1000 имп/с. Такие клетки встре­чаются в ретикулярной формации ЦНС.

3. Относительная рефрактерная фаза - это период восста­новления возбудимости, когда сильное раздражение может вы­звать новое возбуждение (см. рис. 3.6,6, кривая 3). Относитель­ная рефрактерная фаза соответствует конечной части фазы ре­поляризации от уровня Е_кр ± 10 мВ и следовой гиперполяри­зации клеточной мембраны, что является следствием все еще по­вышенной проницаемости для ионов К⁺ и избыточного выхода ионов К⁺-каналов из клетки. Поэтому, чтобы вызвать возбужде­ние в этот период, необходимо приложить более сильное раз­дражение, так как часть Ыа⁺-каналов в конце реполяризации на­ходится еще в состоянии инактивации, а выход ионов К⁺ из клетки препятствует ее деполяризации. Кроме того, в период следовой гиперполяризации мембранный потенциал больше и, естественно, дальше отстоит от критического уровня деполяри­зации. Если реполяризация в конце пика ПД замедляется (см. рис. 3.6,а), то относительная рефрактерная фаза включает и пе­риод замедления реполяризации, и период гиперполяризации.

4. Фаза экзачыпации - это период повышенной возбудимости. Он соответствует следовой деполяризации. В нейронах ЦНС вслед за гиперполяризацией возможна частичная деполяризация клеточной мембраны. В эту фазу очередной ПД можно вызвать более слабым раздражением, поскольку мембранный потенциал несколько ниже обычного и оказывается ближе к критическому уровню деполяри­зации, что объясняют повышенной проницаемостью клеточной мембраны для ионов Na⁺. Скорость протекания фазовых изменений возбудимости клетки определяет ее лабильность.

Б. Лабильность, или функциональная подвижность (Н.Е.Вве­денский) - это скорость протекания одного цикла возбуждения, т.е. ПД. Как видно из определения, лабильность ткани зависит от длительности ПД. Это означает, что лабильность, как и ПД,

определяется скоростью перемещения ионов в клетку и из клет­ки, которая, в свою очередь, зависит от скорости изменения проницаемости клеточной мембраны. Особое значение при этом имеет длительность рефрактерной фазы: чем больше рефрактер­ная фаза, тем ниже лабильность ткани.

Мерой лабильности является максимальное число ПД, которое ткань может воспроизвести в 1 с. В эксперименте лабильность ис­следуют в процессе регистрации максимального числа ПД, кото­рое может воспроизвести клетка при увеличении частоты ритми­ческого раздражения.

Лабильность различных клеток существенно различается. Так, лабильность нерва равна 500-1000, нейронов - 20-200, синапса -порядка 100 импульсов в секунду. Лабильность клеток понижает­ся при длительном бездействии и при утомлении.

Следует отметить, что при постепенном увеличении частоты ритмического раздражения лабильность ткани повышается, т.е. ткань отвечает более высокой частотой возбуждения по сравне­нию с исходной частотой. Это явление открыто А.А.Ухтомским и называется усвоением ритма раздражения.