Электрические явления в возбудимых клетках

Мембраны возбудимых клеток имеют ионные каналы, которые могут нахо­диться в двух состояниях: закрытом и открытом. Когда ионный канал от­крыт, то ионы свободно диффундируют через мембрану по градиенту их концентрации. Проницаемость мембраны для иона, диффундирующего че­рез определенный тип канала, взаимосвязана с величиной мембранного потенциала. Процесс закрытия или открытия ионного канала обусловлен потенциалзависимыми воротными эффектами, которые возникают в ион­ном канале очень быстро и сохраняются кратковременно (1—2 мс). К та­кому типу потенциалзависимых ионных каналов относятся калиевые ион­ные каналы. Более медленные потенциалзависимые воротные эффекты имеют место в ионных каналах, которые могут находиться в трех состоя­ниях: открытом, инактивированном и закрытом. Механизм инактивирова- ния ионного канала принципиально отличается от такового, который име­ет место при открытии или закрытии (например, калиевого ионного кана­
ла), тем, что канал вначале открывается, а затем инактивируется, и остает­ся в таком состоянии некоторое время. К такому типу потенциалзависи­мых ионных каналов относятся натриевые ионные каналы мембраны воз­будимых клеток, обусловливающие генерацию потенциала действия.

Потенциал действия нервной и мышечной клетки является основным проявлением в них процесса возбуждения. В состоянии покоя потенциал­зависимые ионные каналы мембраны клеток возбудимых тканей закрыты, но сама мембрана находится в поляризованном состоянии, т. е. имеет л*ел*- бранный потенциал.

2.3.1. Мембранный потенциал покоя

Мембранный потенциал покоя, или потенциал покоя, является результатом разности потенциалов между внутренней и наружной сторонами мембраны клетки (Ет). В покое внутренняя сторона мембраны клетки заряжена от­рицательно по отношению к наружной, т. е. клеточная мембрана поляризо­вана. Поляризация мембраны клеток заключается в следующем (рис. 2.8). Если мембрана клетки проницаема только для одного типа ионов, то в случае, когда концентрация этого типа ионов по обе стороны мембраны различна, они способны путем диффузии переходить через мембрану из среды с большей концентрацией (С7) в среду с меньшей концентрацией ионов (С2). В случае, если ионы заряжены положительно (см. рис. 2.8) как, например, ионы калия, то на стороне С2 мембраны накапливаются только положительно заряженные ионы. Положительный заряд ионов на стороне С2 мембраны будет препятствовать дальнейшему проникновению одноименных ионов, так как возникшее электрическое поле уравновеши­вает движущую силу концентрационного градиента положительных ионов на мембране. Электрические силы положительных ионов на стороне С2 мембраны будут притягивать отрицательные ионы со стороны С1 мембра­ны, для которых она непроницаема. При достижении равновесия концен­трационные потенциалы ионов по обе стороны мембраны будут равны по величине, но противоположны по знаку их электрическому потенциалу. В результате по обе стороны мембраны возникает разность потенциалов. Возникновение на мембране разности потенциалов (Ет) описывается уравнением Нернста, которое позволяет рассчитать равновесный электри­ческий потенциал для любого иона:

Ет = Zr с₂

Мембрана

где С/ и С₂ — концентрации ионов после достижения равновесия по обе стороны мембраны, z — валент-

Рис. 2.8. Механизм возникновения потенциала Нернста.

Положительные ионы диффундируют из области высокой концен­трации (С 1) в область низкой концентрации (С2). В результате од­на сторона мембраны заряжается положительно, что препятствует дальнейшей диффузии положительных ионов на сторону С2. Меж­ду сторонами С1 и С2 возникает электрическое поле, которое урав­новешивает движущую силу концентрационного потенциала, и ус­танавливается динамическое равновесие. Со стороны С1 на мем­бране формируется отрицательныйй заряд, а со стороны С2 — по­ложительный. В целом, на мембране возникает разность потен­циалов.

ность ионов, F - 96 500 Кл/моль — постоянная Фарадея, R ~ 8,31 Дж/ мольбК — универсальная газовая постоянная, Т — абсолютная температура системы, zF — заряд одного моля ионов, переносимых через мембрану.

Рассмотренный на рис. 2.8 пример свидетельствует о том, что потенци­ал на мембране клетки обусловлен ионами в том случае, если она для них проницаема. В отношении возбудимых клеток потенциал на их мембране может быть обусловлен ионами Na⁺, К? и СГ. В случае, если бы потенци­ал на мембране определялся только ионами калия, то его величина, со­гласно уравнению Нернста, должна равняться —90 мВ, принимая во вни­мание значение температуры тела человека (57 ^QQ, валентность иона {z ~ — 7), постоянную Фарадея (F == 96 500 Кл/моль) и универсальную газовую постоянную (R = 8,31Дж/молъКУ где К* и К*_н — наружная и внутренняя концентрация ионов калия вне и внутри нейрона. В нейронах теплокровных животных отношение [7f/] к [А^] составляет порядка У₂₈.

В случае, если бы мембрана клеток была пассивно проницаема только для ионов Na⁺ или только для ионов С1", то на ней устанавливался бы по­тенциал, равный +60 мВ и —80 мВ соответственно. При этом для хлора ве­личина потенциала Нернста близка к реальной величине потенциала по­коя нейрона, т. е. примерно —80 мВ. Однако в норме потенциал покоя на мембране нейронов составляет порядка -60 мВ. Причина отклонения по­тенциала на мембране нейрона от потенциала, рассчитанного по уравне­нию Нернста для каждого из названных ионов, заключается в том, что че­рез мембрану нейрона постоянно движутся встречные потоки ионов К⁺, Na⁺ и СГ, каждый из которых имеет разный коэффициент проницаемости.

Потенциал покоя в возбудимых клетках. В возбудимых клетках между цитозолем и внеклеточной средой существует концентрационный градиент для ионов Na⁺ и К⁺, который поддерживается работой натрий-калиевого насоса, функционирующего за счет гидролиза энергии АТФ. Активность натрий-калиевого насоса создает разность потенциалов на мембране по­рядка —4 мВ, поэтому его называют электрогенным насосом. Основной функцией натрий-калиевого насоса является поддержание градиента кон­центрации ионов Na⁺ и К⁺ на мембране нейрона. В результате активности натрий-калиевого насоса концентрация ионов К⁺ с внутренней стороны мембраны клеток в 20—50 раз выше, чем с внешней стороны мембраны, а с внешней стороны мембраны в 8—10 раз выше концентрация ионов Na⁺. Поэтому ионы калия стремятся выйти из клетки, а ионы натрия — проник­нуть внутрь. В покое мембрана возбудимых клеток проницаема в разной степени для нескольких ионов, т. е. ионов К⁺, Na⁺ и СГ. Это является причиной отклонения потенциала на мембране от потенциала, рассчитан­ного по формуле Нернста для каждого из этих ионов. В этом случае мем­бранный потенциал может быть описан уравнением Гольдмана—Ходжки­на—Катца:

Е_т = Alin ^[^1 +^[Ж⁺1 +/^,_с,[С4„~]

^F Рк[ХЛ + PnANcC} + P_cz[ Cl„ ]'

где E_m — мембранный потенциал; R — газовая постоянная; T — абсолютная температура; F— число Фарадея; Р_к, P_Nn и Р_а — константы проницаемости
мембраны для ионов К\ Na⁺ и СГ; /О /О /Ж7 /ВД /Ш и [С1_вн]— концентрации ионов К⁺, Na⁺ и СГ снаружи (н) и внутри (вн) клетки.

Согласно формуле Гольдмана—Ходжкина—Катца концентрационный градиент каждого из ионов обусловливает величину мембранного потен­циала. В покое величина мембранного потенциала пропорциональна про­ницаемости мембраны для ионов К⁺, Na⁺ и СГ, которая составляет — Р_к: P_Na: Р_С| = 1: 0,04: 0,45. Величина коэффициента проницаемости ио­нов калия свидетельствует о том, что концентрационный градиент поло­жительно заряженных ионов калия направлен из клетки во внеклеточную среду. По своему характеру проницаемость ионов калия через мембрану нейрона носит диффузионный характер (ток утечки ионов калия) и потен­циал покоя определяется, в основном, этим ионом. Во внутриклеточной среде возбудимых клеток содержатся различные анионы, которые не могут проникать через мембрану (белки, аминокислоты, органические кислоты, фосфаты, сульфаты). В результате избыток отрицательных ионов внутри клетки создает отрицательный заряд на поверхности мембраны с ее внут­ренней стороны. Выход ионов калия через мембрану из клетки создает из­быток положительных ионов на внешней поверхности мембраны.

Концентрация ионов хлора по обе стороны мембраны возбудимых кле­ток находится в равновесном состоянии. Поэтому ионы хлора могут дви­гаться через мембрану в обоих направлениях с одинаковой скоростью. На этом основании ионы хлора могут не входить в уравнение Гольдмана- Ходжкина—Каца. Лишь при быстром нарушении равновесного состояния ионы хлора могут оказывать влияние на величину потенциала на мембране возбудимых клеток.

2.3.2. Потенциал действия возбудимых клеток

Потенциал действия возбудимых клеток представляет собой кратковремен­ное фазное изменение знака потенциала на внутренней поверхности мем­браны и проницаемости мембраны для ионов, вызванное внешним раздра­жением мембраны возбудимых клеток. Потенциал действия состоит из фаз деполяризации, реполяризации и следовых потенциалов.

Открытый ионный Инактивированный

Фаза деполяризации возникает в результате открытия в мембране потен­циалзависимых натриевых ионных каналов (рис.2.9). При этом коэффици­ент проницаемости мембраны для ионов Na⁺ возрастает в сотни раз, т. е. с P_Na+ = 0,04 до P_Na+ = 20. Потенциал действия возникает по закону «все или

Рис. 2.9. Натриевый воротный ионный канал. При деполяриза­ции мембраны канал находится в открытом или инактивированном состояниях (закрыты h-ворота). При поляризованной мембране, т. е. когда внутренняя поверхность мембраны имеет отрицательный за­ряд относительно наружной, ион­ный канал находится в закрытом состоянии (m-ворота закрыты).

Д — деполяризация мембраны, П — поляризация мембраны в состоянии покоя.

Рис. 2.10. Потенциал дейст­вия.

Изменения мембранного потен­циала (А), которые называются потенциалом действия нервов и мышц, являются результатом из­менения ионной проницаемости мембраны для Na’ и К* (Б). В за­висимости от иона, участвующего в генерации потенциала действия, изменение ионной проницаемости мембраны происходит в результате открытия, закрытия или инакги- вирования ионных каналов. Боль­шинство потенциалзависимых на­триевых ионных каналов открыва­ется, когда деполяризация дости­гает порогового уровня (Ek). По­сле спонтанной инактивации этих каналов открываются калиевые ионные каналы, что вызывает ре­поляризацию мембраны. В пери­од, когда натриевые ионные кана­лы находятся в инактивированном состоянии, мембрана клетки явля­ется рефрактерной. Натриевые ионные каналы функционируют примерно в 10 раз быстрее, чем калиевые.

ничего». Согласно этому закону величина потенциа­ла действия остается посто­янной, независимо от силы вызвавшего его стимула. Стимулом для генерации потенциала действия явля­

ется быстрая кратковре­менная деполяризация мембраны возбудимой клетки, которая называется критическим уровнемдеполяризащи (£к). Величина потенциала на мембра­не (Ет), необходимая для достижения критического уровня деполяриза­ции, называется пороговым потенциалом (Ет—Ек), или порогом генерации потенциала действия (рис. 2.10). Амплитуда критического уровня деполя- ризациии мембраны нервного волокна и мышечной клетки в среднем меньше величины потенциала покоя на 15—20 мВ. Пороговый сдвиг мем­циала происходит медленно в течение нескольких миллисекунд, то инак- тивационные ворота в натриевых ионных каналах инактивируются раньше, чем произойдет открывание достаточного количества активационных во­рот. В результате натриевый ток (1„_а) будет недостаточным для открытия потенциалзависимых натриевых каналов. Подобное явление называется аккомодацией мембраны В этом случае не будет возникать потенциал дей­ствия. Деполяризация мембраны начинается с активации инактивирован­ных потенциалзависимых натриевых ионных каналов, и только после это­го натриевые каналы открываются. Ионы ла ⁺ через открытые потенциал­
зависимые натриевые каналы устремляются по концентрационному гради­енту внутрь клетки (натриевый ток /_№), заряжая внутреннюю поверхность мембраны положительным зарядом. При этом отношение коэффициентов проницаемостей мембраны для ионов калия и натрия составляет иную ве­личину относительно состояния покоя: Р_к: P_Na = 1: 20, а генерация по­тенциала действия обусловлена высокой проницаемостью мембраны для ионов Na\ Деполяризация мембраны клетки увеличивает число открытых потенциалзависимых натриевых каналов, что существенно повышает на­триевую проницаемость. В результате потенциал на мембране возбудимой клетки за 1—2 мс стремится достичь величины натриевого равновесного потенциала. При этом потенциал на внутренней поверхности мембраны меняет знак и его величина достигает +40 мВ (явление реверсии заряда мембраны).

Реполяризация. Во время реверсии заряда мембраны величина потенциа­ла Нернста для ионов натрия приближается к их равновесному потенциа­лу, что вызывает через 1—2 мс после начала деполяризации инактивацию потенциалзависимых натриевых ионных каналов. При этом инактивацион-

ные ворота натриевых ионных каналов не открываются до тех пор, пока мембранный потенциал покоя не восстанавливается до своего исходного уровня. В результате прекращается входящий натриевый ток. Одновремен­но под влиянием деполяризации мембраны открываются потенциалзави­симые калиевые ионные каналы и увеличивается выходящий калиевый ток, который стремится сместить мембранный потенциал в сторону калие­вого равновесного потенциала и, таким образом, реполяризует мембрану (рис. 2.11). Мембранный потенциал приближается к величине потенциала покоя, но в мембране еще остаются открытыми ка­

	3/Va+ н<
		Внешняя поверхность мембраны клетки Мембрана клетки
		НИ Ф t ПД I

	Диффузия по градиенту концентрации

ваться ее нормальная возбудимость. Величина потенциала покоя мембра­ны нейронов составляет —60 мВ, а мембраны нервного волокна и скелет­ной мышечной клетки —90мВ, что свидетельствует о более высокой возбу­димости сомы нейронов, чем их аксонов и, тем более, скелетных мышеч­ных волокон.

При этом амплитуда потенциала действия в нервных волокнах состав­ляет 110 мВ, что на +20 мВ превышает величину потенциала покоя. В ске­летных мышечных клетках во время фазы деполяризации величина потен­циала на мембране достигает максимального значения +30—40 мВ. Поэто­му амплитуда потенциала действия в клетках скелетных мышц составляет 120—130 мВ. Эти различия в амплитуде реверсии заряда мембраны нерв­ных и мышечных волокон обусловливают большую скорость протекания возбуждения в нервных волокнах, а следовательно, более высокую их ла­бильность по сравнению с мышечными волокнами.

2.2.3. Рефрактерный период в возбудимых клетках

В фазу деполяризации потенциала действия потенциалзависимые натрие­вые ионные каналы кратковременно открываются, но затем инактивиру­ются h-ворота (см. рис. 2.9). В период инактивации натриевых ионных ка­налов возбудимые клетки не способны реагировать повышением натрие­вой проницаемости на повторный стимул. Поэтому во время фазы деполя­ризации мембрана не может генерировать потенциал действия в ответ на действие пороговых или сверхпороговых раздражителей. Это состояние на­зывается абсолютной рефрактерностью, время которой составляет в нерв­ных волокнах 0,5—1,0 мс, а в скелетных мышечных клетках —в среднем 2 мс. Период абсолютной рефрактерное™ заканчивается после того, как снижается количество инактивированных натриевых каналов и постепенно увеличивается количество натриевых каналов, находящихся в закрытом со­стоянии. Происходят эти процессы во время фазы реполяризации, когда уменьшению количества потенциалзависимых натриевых ионных каналов, находящихся в состоянии инактивации, соответствует период относитель­ной рефрактерности. Период относительной рефрактерное™ характеризу­ется тем, что лишь некоторая часть потенциалзависимых натриевых ион­ных каналов переходит в закрытое состояние, а в силу этого порог возбу­димости мембраны клетки имеет более высокие значения, чем в исходном состоянии. Поэтому возбудимые клетки в период относительной рефрак­терности могут генерировать потенциалы действия, но при воздействии на них раздражителей сверхпороговой силы. Однако из-за небольшого коли­чества потенциалзависимых натриевых ионных каналов, находящихся в за­крытом состоянии, амплитуда генерируемых при этом потенциалов дейст­вия будет меньше, чем в условиях исходной возбудимости нервной или мышечной клетки.

В клетках возбудимых тканей максимальное количество генерируемых потенциалов действия в единицу времени обусловлено двумя факторами: длительностью потенциала действия и длительностью периода абсолютной рефрактерности после каждого импульса. На этом основании в физиоло­гии формулируется современное понятие лабильности: чем меньше период абсолютной рефрактерности при возбуждении возбудимой ткани, тем вы­ше ее функциональная подвижность или лабильность, тем больше в ней генерируется потенциалов действия в единицу времени.

При непрерывной стимуляции нерва электрическим током лабильность нерва зависит от частоты и силы раздражения. В зависимости от частоты и

силы раздражения нерва сокращение иннервируемой им мышцы может быть максимальной или минимальной амплитуды. Эти явления были на­званы соответственно оптимумом и пессимумом (Н. Е. Введенский). Мак­симальное (оптимально большое) сокращение мышцы возникает в том случае, если каждый последующий электрический стимул действует на нерв в периоде его состояния супернормальной возбудимости после пре­дыдущего потенциала действия. Минимальное (или пессимальное) сокра­щение мышцы возникает в том случае, если каждый последующий элек­трический стимул действует на нерв, находящийся в периоде относитель­ной рефрактерности после предыдущего потенциала действия. Поэтому значения оптимальной частоты раздражения нерва всегда меньше, чем значения пессимальной частоты раздражения.

2.3.4. Локальный ответ мембраны возбудимых клеток

При действии электрического стимула подпороговой силы уменьшение мембранного потенциала оказывается недостаточным для того, чтобы на­триевый ток (I_Na) стал больше, чем сумма калиевого выходящего тока или тока утечки ионов калия. При этом мембранный потенциал уменьшается

на несколько милливольт, но в результате реполяризации восстанавливает­ся до величины мембранного потенциала покоя. Подобные пассивные или электротонические изменения потенциала на мембране, которые не дости­гают критического уровня деполяризации под действием деполяризующего электрического тока подпороговой величины, называются локальным отве­том. Для локального ответа характерны следующие физиологические про­явления на мембране нервной

	Рис. 2.12. Влияние подпорогового элек­трического раздражения возбудимой мем­браны на степень ее деполяризации.

 

ствия кратковременного импульса электрического тока подвергаются об­ратному самостоятельному развитию. При действии на возбудимую мем­брану серией подпороговых электрических стимулов происходит суммиро­вание амплитуды локального ответа. Если амплитуда локального ответа достигает порога возбудимости мембраны, то потенциалзависимые натрие­вые ионные каналы открываются по закону «все или ничего» и происходит генерация потенциала действия. На рис. 2.12 показано суммирование ам­плитуды локального ответа по типу деполяризации при действии на мем­брану нервного волокна серией подпороговых электрических стимулов. Локальный ответ нервного волокна всегда сопровождается повышением возбудимости мембраны клеток.