Головна | Про нас | Зворотній зв'язок
А. Характеристика ПД. ПД - електричний процес, висловлюю-щійся в швидкому коливанні мембранного потенціалу внаслідок пе-переміщених іонів в клітину і т клітини і здатний поширювати-ся без загасання (без декремента). Він забезпечує передачу сигна-лов між нервовими клітинами, між нервовими центрами і робочими органами, в м'язах - процес електромеханічного сполучення (рис. 3.3, а).
Величина ПД нейрона коливається в межах 80-110 мВ, котрі три-ність піку ПД нервового волокна становить 0,5-1 мс. Амплі-туди ПД не залежить від сили подразнення, вона завжди максимальна для даної клітини в конкретних умовах: ПД підкоряється закону «все або нічого», але не підкоряється закону силових відносин -Закон сили. ПД або зовсім не виникає на роздратування клітини, якщо воно мало, або він максимальної величини, якщо роздратування є граничним або сверхпороговое. Слід зазначити, що слабке (подпороговое) роздратування може викликати локальний потенціал. Він підкоряється закону сили: зі збільшенням сили стимулу величина його зростає (докладніше див. Розділ 3.6). У складі ПД розрізняють три фази: 1 фаза - деполяризація, тобто зникнення заряду клітини - зменшення мембранного потен-циала до нуля; 2 фаза - інверсія, зміна заряду клітини на про-ратний, коли внутрішня сторона мембрани клітини заряджається позитивно, а зовнішня - негативно (від лат. Туегзю - перев-рачіваніе); 3 фаза - реполяризация, відновлення вихідного за-ряду клітини, коли внутрішня поверхня клітинної мембрани знову заряджається негативно, а зовнішня - позитивно.
Б. Механізм виникнення ПД. Якщо дія подразника на клітинну мембрану призводить до виникнення ПД, далі сам процес розвитку ПД викликають фазові зміни прони-кливість клітинної мембрани, що забезпечує швидке руху-ня іона Ка + в клітину, а іони К + - з клітини. Величина мембранного потенціалу при цьому спочатку зменшується, а потім знову відновлюється до вихідного рівня. На екрані осцилографа відмічені зміни мембранного потенціалу постають в ві-де пікового потенціалу - ПД. Він виникає внаслідок накопи-них і підтримуваних іонними насосами градієнтів кон-центраций іонів всередині і поза клітиною, тобто за рахунок потенційної енергії у вигляді електрохімічних градієнтів різних іонів. Ес-ли заблокувати процес вироблення енергії, то ПД деякий період часу будуть виникати, але після зникнення град-тов концентрацій іонів (усунення потенційної енергії) клітина генерувати ПД не буде. Розглянемо фази ПД.
Мал. 3.3. Схема, що відображає процес збудження. а - потенціал дії, його фази: 1 - деполяризація, 2 - інверсія (овершут), 3 - реполяризация, 4 - слідові гиперполяризация; б - натрієві ворота; (Ь-1 - в стані спокою клітини); в - калієві ворота (1 - в стані спокою клітини). Знаки плюс (+) і мінус (-) - знаки заряду всередині і поза клітиною в різні фази ПД. (Див. Пояснення в тексті.) Існує багато різних назв фаз ПД (єдиної думки не склалося): 1) ме-стное збудження - пік ПД - слідові потенціали; 2) фаза наростання - фаза спаду -следовие потенціали; 3) деполяризація - овершут (перехлест, перевищення, переліт), причому ця фаза в свою чергу ділиться на дві част: висхідна (інверсія, ВІД лат. Шуегяю - перевертання) н спадна (реверсія, від лат. Геуегзю - повернення) - реполя- рнзапія. Є й інші назви.
Відзначимо одне протиріччя: терміни «реполяризация» і «реверсія» але змістом однакові - повернення до попереднього перебуваючи-ня, але ці стани різні: в одному випадку заряд зникає (реверсія), в іншому -восстанавлівается (реполяршація). Найбільш коректні тс назви фаз ПД, в яких закладена загальна ідея, наприклад зміна заряду клітини. У зв'язку з цим обгрунтовано ис-користувати наступні назви фаз ПД. ) Фаза деполяризації - процес зникнення заряду клітини до нуля; 2) фаза інверсії - зміна заряду клітини на протилежний. т. е. весь період ПД, коли всередині клітини заряд позитивний, а зовні - отрицатель-ний; 3) фаза реполярпзацін - відновлення заряду клітини до вихідної величини (повернення до потенціалу спокою).
1. Фаза деполяризації (див. Рис. 3.3, а, 1). При дії депо-лярізующего подразника на клітину (медіатор, електричний струм) спочатку зменшення мембранного потенціалу (часткова деполяризація) відбувається без зміни проникності мем-Брани для іонів. Коли деполяризація досягає приблизно 50% граничної величини (порогового потенціалу), зростає проникність її мембрани для іона Ка +. причому в перший мо-мент порівняно повільно. Природно, що швидкість входу іонів Ка * в клітку при цьому невелика. У цей період, як і під час всієї фази деполяризації, рушійною силою, забезпечують-вающей вхід іона Na + в клітину, є концентраційний і електричний градієнти. Нагадаємо, що клітина всередині зоря-дружина негативно (різнойменні заряди притягуються один до одного), а концентрація іонів Na + поза клітиною в 10-12 разів біль-ше, ніж усередині клітини. При порушенні нейрона підвищується проникність його мембрани і для іонів Са +, але його ток в клітку значно менше, ніж іонів Nа +. Умовою, забезпе-Чіва вхід іона Nа + в клітину і подальший вихід іона К * з клітки, є збільшення проникності клітинної мембрани, яка визначається станом воротного меха-нізму іонних Nа- і К-каналів. Тривалість перебування електрокерованого каналу у відкритому стані носить ймовірно-стни характер і залежить від величини мембранного потенциа-ла. Сумарний струм іонів в будь-який момент визначається числом відкритих каналів клітинної мембрани. Ворітної механізм ^ -каналів розташований на зовнішній стороні клітинної мембра-ни (Na + рухається всередину клітини), ворітної механізм К-каналів -на внутрішньої (К + рухається з клітки назовні).
Активація Nа- і К-каналів (відкриття воріт) забезпечується зменшенням мембранного потенціалу, Коли деполяризація клітини досягає критичної величини (Ekp. Критичний уро-вень деполяризації - КУД), яка зазвичай становить -50 мВ (можливі і інші величини), проникність мембрани для іонів Nа + різко зростає - відкривається велике число по-тенціалзавісімих воріт Nа-каналів і іони Nа + лавиною уст-ремляются в клітку. В результаті інтенсивного струму іонів Nа + всередину клітини далі процес деполяризації проходить дуже б-б. Розвивається деполяризация клітинної мембрани ви-викликають додаткове збільшення її проникності і, естест-венно, провідності іонів Na + - відкриваються все нові й нові активаційні т-ворота Nа-каналів, що надає току іонів Na * в клітку характер регенеративного процесу. У підсумку ПП зникає, стає рівним нулю. Фаза деполяризації на цьому закінчується.
2. Фаза інверсії. Після зникнення ПП вхід Nа + в клітину про-продовжували (m - ворота Na-каналів ще відкриті - h-2), тому число позитивних іонів в клітині перевершує число негативних, заряд всередині клітини стає позитивним, сну-ружі - негативним. Процес перезарядки мембрани представ-ляет собою 2-ю фазу ПД - фазу інверсії (див. Рис. 3.3, в, 2). Тепер електричний градієнт перешкоджає входу Na + всередину клітини (позитивні заряди відштовхуються одна від одної), прово-ність Na * знижується. Проте деякий період (частки мілісекунди) іони Na + продовжують входити в клітку, про це свідчить триваюче наростання ПД. Це означає, що концентраційний градієнт, що забезпечує рух іонів Ка + в клітину, сильніше електричного, переш-ного входу іонів Nа * у клітку. Під час деполяризаціїмембрани збільшується проникність її і для іонів Са 2+. вони також йдуть в клітку, але в нервових клітинах роль іонів Са 2+ в розвитку ПД мала. Таким чином, вся висхідна частина піка ПД забезпечується в основному входом іонів Nа * у клітку.
Приблизно через 0,5-1 мс після початку деполяризації зростання ПД припиняється внаслідок закриття воріт Ка-каналів (Ь-3) і відкриття воріт К-каналів (в, 2), тобто збільшення проникності для іонів К +. Оскільки іони К + знаходяться переважно всередині клітини, вони, згідно концентраційному градієнту, швидко виходять з клітини, внаслідок чого в клітині зменшується число позитивно заряджених іонів. Заряд клітини починає повертатися до вихідного рівня. У фазу інверсії виходу в.о. районів К * з клітки сприяє також електричний градієнт. Іони К * виштовхуються позитивним зарядом з клітки іпрітягіваются негативним зарядом зовні клітини. Так триває до повного зникнення позитивного заряду всередині клітини - до кінця фази інверсії (див. Рис. 3.3, а - пунк-Тірні лінія), коли починається наступна фаза ПД - фаза реполяризації. Калій виходить з клітки не тільки по керуючий-мим каналах, ворота яких відкриті, але і по некерованим каналах витоку.
Амплітуда ПД складається з величини ПП (мембранний потенціал спочиває клітини) і величини фази інверсії - око-ло 20 мв. Якщо мембранний потенціал в стані спокою клітини малий, то амплітуда ПД цієї клітини буде невеликою.
3. Фаза реполяризації. У цій фазі проникність клітинної мембрани для іонів К + все ще висока, іони К + продовжують швидко виходити з клітки згідно концентраційному гради-енту. Клітка знову всередині має негативний заряд, а снаря пані - позитивний (див. Рис. 3.3, а, 3), тому електричний градієнт перешкоджає виходу К * з клітки, що знижує його провідність, хоча він продовжує виходити. Це пояснюється тим, що дія концентраційного градієнта виражено зна-ве сильніше дії електричного градієнта. Таким чином, вся низхідна частина піка ПД обумовлена виходом іона К + з клітини. Нерідко в кінці ПД спостерігається уповільнення реполяризації, що пояснюється зменшенням проникності клітинної мембрани для іонів К + і уповільненням виходу їх з клітини внаслідок закриття воріт К-каналів. Інша причина уповільнення струму іонів К + пов'язана зі зростанням позитивними-ного потенціалу зовнішньої поверхні клітини і формування третьому протилежно спрямованого електричного градієнта.
Головну роль у виникненні ПД відіграє іон Na *, що входить в клітку при підвищенні проникності клітинної мембрани і забезпечує всю висхідну частину піку ПД. При заміні іона Nа + в середовищі на інший іон, наприклад холін, або в разі блокування Na-каналів тетродотоксином, ПД в нервовій клітині не виникає. Однак проникність мембрани для іона К + то-же грає важливу роль. Якщо підвищення проникності для іона К + запобігти тетраетіламмоніем, то мембрана після її деполяризації реполяризуется набагато повільніше, тільки за рахунок повільних некерованих каналів (канали витоку іонів), через які До + виходитиме з клітки.
Роль іонів Са 2+ у виникненні ПД в нервових клітинах немає-значна, в деяких нейронах вона істотна, наприклад в дендритах клітин Пуркіньє мозочка.
В. Слідові явища в процесі збудження клітини. Ці явле-ня виражаються в гіперполяризації або часткової деполяризації клітини після повернення мембранного потенціалу до результат-ної величиною (рис. 3.4).
Следовая гиперполяризация клітинної мембрани зазвичай яв-ляется наслідком ще зберігається підвищеної проникними-мости клітинної мембрани для К +. Ворота К-каналів ще не повністю закриті, тому К + продовжує виходити з кліть-ки згідно концентраційному градієнту, що і веде до гіпер-поляризації клітинної мембрани. Поступово проникність клітинної мембрани повертається до вихідної (натрієві і ка-Лієв ворота повертаються в початковий стан), а мембран-ний потенціал стає таким же, яким він був до викличу-дення клітини. Іонні помпи безпосередньо за фази потенциа-ла дії не відповідають, іони переміщаються з величезною швидкістю відповідно до концентраційного і частково електричні-ському градиентам.
Следовая деполяризация також характерна для нейронів. Ме-ханізм її вивчений недостатньо. Можливо, вона обумовлена крат-ковременной підвищенням проникності клітинної мембрани для Ка * і входом його в клітку відповідно до концентраційного і електричному градиентам.
Мал. 3.4. ПД двох клітин. а - уповільнення фази реполяризації; б - слідові явища: 1 - слідові гиперполяризация; 2 - слідові деполяризация 3.5. ДОСЛІДЖЕННЯ ІОННИХ СТРУМІВ. ЗАПАС ИОНОВ В КЛЕТКЕ ПД обумовлений циклічним процесом входу № + у клітину (висхідна частина піка) і подальшим виходом К + з клітини (спадна частина ПД), що є в свою чергу наслідком активації і інактивації Na- і К-каналів.
Найбільш растпространеніе метод вивчення функцій іонних каналів - метод фіксації напруги (voltage-clamp). Мем-лайливий потенціал за допомогою подачі електричного напря-вання змінюють і фіксують на певному рівні, потім клітинну мембрану градуально деполярізуют, що веде до від-критих іонних каналів і виникнення іонного струму, кото-рий міг би деполярізовать клітку. При цьому пропускають елек-тричних струм, рівний по величині, але протилежний за знаком іонного струму, тому трансмембранная різниця потен-циал не змінюється. Це дозволяє вивчити величину іонного струму через мембрану. Застосування різних блокаторів іон-них каналів дає додаткову можливість більш глибоко вивчити властивості каналів.
Кількісне співвідношення між іонними струмами по окремих каналах в спочиває клітці і під час ПД і їх кінетику можна з'ясувати за допомогою методу локальної фік-сації потенціалу (patch-clamp). До мембрані підводять мікро-електрод - присосок (всередині його створюється розрідження) і, якщо на цій ділянці виявляється канал, досліджують іонний струм че-рез нього. В іншому методика подібна попередньої. І в цьому випадку застосовують специфічні блокатори каналів. У част-ності, при подачі на мембрану фіксованого деполярі-зующей потенціалу було встановлено, що через Ка-канали може проходити і іон К +. але його ток в 10-12 разів менше, а через К-канали може проходити іон Ма +. його ток в 100 разів менше, ніж струм іонів К +.
Запас іонів в клітині, що забезпечує виникнення возбу-дження (ПД), величезний. Концентраційні градієнти іонів в результаті одного циклу збудження практично не змінять-ються. Клітка може порушуватися до 5 * 10 5 раз без підзарядки, тобто без роботи Ма / К-насоса. Число імпульсів, яке генерітся-рует і проводить нервове волокно, залежить від його товщини, що визначає запас іонів. Чим товщі нервове волокно, тим більше запас іонів, тим більше імпульсів воно може генерувати (від декількох сотень до мільйона) без участі Nа / К-насоса. Однак в тонких волокнах на виникнення одного ПД витрачається близько 1% концентраційних градієнтів іонів Nа + і К *. Якщо заблокувати вироблення енергії, то клітина буде ще багато разів збуджуватися. В реальній дійсності Nа / К-насос постійно переносить іони Nа + з клітини, а іони К + воз-обертає в клітку, в результаті чого підтримується концентрації-ційний градієнт Nа + і К + за рахунок безпосереднього витрати енергії, джерелом якої є АТФ. Є дані, що збільшення внутрішньоклітинної концентрації Nа + сопровож-дається підвищенням інтенсивності роботи Nа / К-насоса. Це може бути пов'язано виключно з тим, що для переносника стає доступно більшу кількість внутрішньоклітинних в.о. районів Na +.