Механизм развития потенциала действия. Строение и работа ионных

действия вдоль нервного волокна

потенциальной электрической энергии на клеточной мембране в форме потенциала покоя.

Эта энергия может освобождаться в виде специфических электрических сигналов (потенциала действия), характерных для возбудимых тканей: нервной, мышечной, некоторых рецепторных и секреторных клеток.

Под потенциалом действия понимают быстрое колебание потенциала покоя, сопровождающееся, как правило, перезарядкой мембраны.

в начале ХХ века.

Дальнейшее развитие представлений о механизмах возбудимости

мембран нервных клеток связаны с внедрением в практику физиологических экспериментов того времени удобного модельного объекта – гигантского аксона кальмара, отростка нейронов звездчатого ганглия, иннервирующего мускулатуру мантии и обеспечивающего реактивное движение кальмара.

в который помещали аксон во время записи биоэлектрической активности.
Авторы

высказали предположение, что ПД является результатом кратковременного, но значительного увеличения проводимости мембраны для Na+.
Концентрация ионов Na+ во внеклеточной среде примерно в 10 раз выше, чем внутри клетки, поэтому равновесный потенциал для этого иона (ENa+) составляет +50-60 мВ. Абсолютное значение потенциала на вершине ПД в экспериментах А. Ходжкина и Э. Хаксли находилось в этих пределах. Это означает, что амплитуда ПД определяется равновесным потенциалом для Na+ и описывается уравнением В. Нернста для Na+-электрода:

E = - RT/nF ln ([Na+]in/[Na+]out) , где
E - величина потенциала,
R – газовая постоянная,
T – температура в град. Кельвина,
n- валентность иона,
F – число Фарадея,
[Na+]in – концентрация ионов К+ внутри клетки,
[Na+]out – концентрация ионов К+ снаружи клетки.

уровня деполяризации (местное возбуждение, локальный ответ).
Пиковый потенциал, или спайк, состоящий

из восходящей части (деполяризация мембраны) и нисходящей части (реполяризация мембраны).
Отрицательный следовой потенциал — от критического уровня деполяризации до исходного уровня поляризации мембраны (следовая деполяризация).
Положительный следовой потенциал — увеличение мембранного потенциала и постепенное возвращение его к исходной величине (следовая гиперполяризация).

клеточной мембраны на деполяризующий стимул;
Б — величина деполяризующего тока;

1 — локальный ответ;
2 — быстрая деполяризация;
3 — реверсия;
4 — реполяризация;
5 — положительный следовой потенциал.

По оси абсцисс — отметка времени.

клеточной мембраны (В) для ионов Na+ (gNa+, INa+) и K+

(gK+,IK+) во время действия деполяризующего стимула.

Фронт нарастания потенциала действия и перезарядка мембраны (овершут) обусловлены движением ионов натрия внутрь клетки. Na-каналы -электроуправляемые. Деполяризующий толчок тока приводит к активации Na-каналов и увеличению натриевого тока. Это обеспечивает локальный ответ. Смещение мембранного потенциала до критического уровня приводит к стремительной деполяризации клеточной мембра­ны и обеспечивает фронт нарастания потенциала действия. Если удалить ион Na+ из внешней среды, то потенциал действия не возникает. Аналогичный эффект удавалось получить при добавлении в перфузионный раствор ТТХ (тетродотоксин) — специфического блокатора натриевых каналов.

В ответ на действие деполяризующего тока через мембрану протекает кратковременный (1—2 мс) входящий ток, который сменяется через некоторое время выходящим током (рис.).

При замене ионов натрия на другие ионы и вещества, например холин, удалось показать, что входящий ток обеспечивается натриевым током, т.е. в ответ на деполяризующий стимул происходит повышение натриевой проводимости (gNa+). Таким образом, развитие фазы деполяризации потенциала действия обусловлено повышением натриевой проводимости.

он превышает пороговую величину.
Поэтому принято говорить, что потенциал действия

подчиняется закону "все или ничего".

поляризована — её внутренняя поверхность заряжена отрицательно по отношению к

внешней благодаря тому, что в растворе возле её внешней поверхности находится большее количество положительно заряженных частиц (катионов), а возле внутренней поверхности — большее количество отрицательно заряженных частиц (анионов).

Мембрана обладает избирательной проницаемостью — её проницаемость для различных частиц (атомов или молекул) зависит от их размеров, электрического заряда и химических свойств.

Мембрана возбудимой клетки способна быстро менять свою проницаемостъ для определённого вида катионов, вызывая переход положительного заряда с внешней стороны на внутреннюю

а - мембранный потенциал покоя; б - предспайк, локальный ответ,

ВПСП; в - спайк, потенциал действия, деполяризация и инверсия; г - потенциал действия, реполяризация; д - отрицательный следовой потенциал, следовая деполяризация; е - положительный следовой потенциал, следовая гиперполяризация.

Б: а - исходный уровень возбудимости; б - фаза первичной экзальтации, повышенная возбудимость; в - фаза абсолютной рефрактерности; г - фаза относительной рефрактернности; д - фаза вторичной экзальтации; е - фаза вторичной рефрактерности

действия; Б — изменение возбудимости.
Н. Е. Введенский ввел понятие

лабильности, или функциональной подвижности, возбудимых тканей. Мерой лабильности является количество потенциалов действия, которое способна генерировать возбудимая ткань в единицу времени. Очевидно, что лабильность возбудимой ткани в первую очередь определяется продолжительностью периода рефрактерности. Наиболее лабильными являются волокна слухового нерва, в которых частота генерации потенциалов действия достигает 1000 Гц.

— реакция клеточной мембраны на гиперполя-ризуюший (I, 2) и деполяризующий

(3, 4) ток;
Б — величина и направление гиперполяризующего (1',2') и деполяризующего (3',4' ) стимулирующего тока.

потенциала в 1952 г. А. Ходжкин, Э. Хаксли и Б.

Катц впервые измерили ионные токи, проходящие через мембрану во время возбуждения. В нормальных условиях, когда аксон погружен в морскую воду, при деполяризации мембраны регистрируется ток, состоящий из раннего входящего и позднего выходящего компонентов. При устранении Na+ во внешнем растворе входящий компонент тока исчезал, и регистрировался только выходящий ток. На основании таких результатов авторы сделали вывод о натриевой природе входящего тока.

схема, демонстрирующая мембрану с двумя натриевыми каналами в открытом и закрытом состоянии, соответственно

активируется при деполяризации, однако некоторые активируются при гиперполяризации.

Как правило,

потенциал-зависимые каналы пропускают какой-либо один ион (Na+, K+ или Ca2+). Редкое исключение представляют неселективные каналы из семейства цАМФ (цГМФ)-зависимых катионных каналов.

Состояние некоторых ионных каналов зависит (кроме потенциала) от связывания с различными внутриклеточными лигандами – АТФ, Са2+, комплексом Са2+/калмодулин, цАМФ (цГМФ) и G- белками.

Каналы, пропускающие ионы Na+ и Ca2+ внутрь клетки по концентрационным градиентам, обеспечивают деполяризацию мембраны, приводящую к генерации потенциала действия. Каналы, пропускающие ионы K+ из клетки по концентрационному градиенту, обеспечивают реполяризацию мембраны и возвращение потенциала клетки к уровню потенциала покоя.

избытком ионов Na (зеленые) с наружной стороны и ионов К

(синие) с внутренней стороны мембраны.

Деполяризация происходит из-за движения ионов Na внутрь клетки.

Реполяризация происходит
из-за движения ионов К наружу из клетки

Нервное волокно полностью поляризовано. Натрий-калиевый насос возвращает ионы на исходные позиции

m-активационные ворота («m-ворота») закрыты; Б — при возбуждении «m-ворота» открыты;

В — закрытие «n-ворот» (инактивация) при деполяризации.

закрыт. При деполяризации клеточной мембраны до определенного уровня происходит открытие

m-активационных ворот (активация) и усиление поступления ионов Na+ внутрь клетки. Через несколько миллисекунд после открытия m-ворот происходит закрытие п-ворот, расположенных у выхода натриевых каналов (инактивация).
Инактивация развивается в клеточной мембране очень быстро и степень инактивации зависит от величины и времени действия деполяризующего стимула.
Работа натриевых каналов определяется величиной мембранного потенциала в соответствии с определенными законами вероятности.
Рассчитано, что активированный натриевый канал пропускает всего 6000 ионов за 1 мс. При этом весьма существенный натриевый ток, который проходит через мембраны во время возбуждения, представляет собой сумму тысяч одиночных токов.

рецепторами.
Некоторые хемозависимые каналы входят в состав молекул ионотропных мембранных

рецепторов, и они активируются непосредственно при связывании рецепторов с нейромедиаторами.
Другие хемозависимые каналы активируются (или деактивируются) опосредовано в результате инициации каскадов внутриклеточной сигнализации при связывании нейромедиаторов с метаботропными мембранными рецепторами.
Ионные токи, текущие через хемозависимые каналы, обуславливают развитие постсинаптических потенциалов.

1

2 3
Ацетилхолиновый канал в постсинаптической мембране открывается молекулами ацетилхолина, выделяемыми в синаптическую щель.
Рисунок изображает ацетилхолиновый рецептор в нервно-мышечном соединении лягушки. Две молекулы ацетилхолина быстро связываются с закрытым каналом в покое и формируют комплекс из рецептора и ацетилхолина (1, 2).
Этот комплекс претерпевает конформационные изменения, в результате которых канал открывается для прохождения ионов натрия и калия (3).

Время, необходимое для конформационных изменений комплекса, лимитирует скорость реакции. Канал остается открытым в среднем около 1 мс и затем вновь превращается в рецептор-ацетилхолиновый комплекс. Пока канал открыт, через него проходит около 20000 ионов натрия и равное количество ионов калия. Ацетилхолин быстро отделяется и разрушается ферментом ацетилхолинэстеразой.

которые сливаются с пресинаптической мембраной аксона и раскрываются; этот процесс

назван экзоцитозом.

Синаптические пузырьки группируются вблизи пресинаптической мембраны.
На схеме показаны предположительные стадии экзоцитоза.
Заполненные пузырьки движутся к синаптической щели, сливаются с мембраной, выделяют содержимое, а затем вновь отделяются от мембраны, восстанавливают свою форму и заполняются медиатором.

закрывания каналов пяти типов, пропускающих разные виды ионов (натрия, калия

или кальция).

А. Зависимость от времени фактически зарегистрированных (I) и вычисленных на основании уравнений (II) изменений потенциала внутри тела нейрона.

Б. Изменения во времени всех токов, протекающих через основные типы каналов. Для возникновения серии нервных импульсов необходимо сложное взаимодействие каналов разных типов. Исследования, на основании которых построены данные кривые, были проведены Дж. Коннором в Иллинойском университете и автором статьи на медицинском факультете Йельского университета.

ионов натрия (Na+) внутрь, сменяемых потоками ионов калия (К+) наружу

через каналы, которые регулируются изменениями напряжения на мембране аксона. Электрический процесс, приводящий к распространению нервного импульса вдоль аксона, обычно развивается в клеточном теле. Генерация импульса начинается со слабой деполяризации, или уменьшения отрицательного потенциала внутренней поверхности мембраны, в том месте, где аксон отходит от клеточного тела. Этот небольшой сдвиг потенциала открывает некоторые из натриевых каналов, вызывая тем самым дальнейшее уменьшение потенциала.

Мембрана аксона разделяет жидкости, сильно отличающиеся по содержанию ионов натрия (серые кружки) и ионов калия (черные кружки).

внутренняя поверхность мембраны не станет локально положительной. Изменение знака потенциала

приведет к закрыванию натриевых каналов и открыванию калиевых. Поток ионов калия наружу быстро восстановит отрицательный потенциал. Кратковременная реверсия потенциала, получившая название потенциала действия, сама распространяется по аксону (1, 2). После короткого рефрактерного периода за первым импульсом может следовать второй (3). Скорость распространения нервного импульса на схеме соответствует таковой в гигантском аксоне кальмара.

волокнам зависит от их типа. Существуют два типа нервных волокон:

миелиновые и безмиелиновые.
Процессы метаболизма в безмиелиновых волокнах не обеспечивают быструю компенсацию расхода энергии. Распространение возбуждения будет идти с постепенным затуханием – с декрементом. Декрементное поведение возбуждения характерно для низкоорганизованной нервной системы. Возбуждение распространяется за счет малых круговых токов, которые возникают внутрь волокна или в окружающую его жидкость.
Между возбужденными и невозбужденными участками возникает разность потенциалов, которая способствует возникновению круговых токов. Ток будет распространяться от «+» заряда к «—». В месте выхода кругового тока повышается проницаемость плазматической мембраны для ионов Na, в результате чего происходит деполяризация мембраны. Между вновь возбужденным участком и соседним невозбужденным вновь возникает разность потенциалов, что приводит к возникновению круговых токов. Возбуждение постепенно охватывает соседние участки осевого цилиндра и так распространяется до конца аксона.

А - миелиновое волокно, Б - безмиелиновое волокно. 1 - осевой цилиндр, 2 - миелиновый слой, 3 - мезаксон, 4 - ядро нейролеммоцита (шванновской клетки), 5 - узловой перехват (перехват Ранвье).

волокнах импульс проходит вдоль всей длины волокна.
В миелинизированных нервных волокнах

импульс перескакивает от одного узелка Ранвье к следующему

заряда мембраны (рис. А). Между электроотрицательными и электроположительными участками мембраны возникает

электрический ток, который раздражает соседние участки мембраны (рис. Б). Однако в состояние возбуждения может перейти только участок мембраны в области следующего перехвата Ранвье (рис.  В). Таким образом, возбуждение распространяется по мембране скачкообразно (сальтаторно) от одного перехвата Ранвье к другому.

без декремента. За счет большого радиуса нервного волокна, обусловленного миелиновой

оболочкой, электрический ток может входить и выходить из волокна только в области перехвата. При нанесения раздражения возникает деполяризация в области перехвата А, соседний перехват В в это время поляризован. Между перехватами возникает разность потенциалов, и появляются круговые токи. За счет круговых токов возбуждаются другие перехваты, при этом возбуждение распространяется сальтаторно, скачкообразно от одного перехвата к другому. Сальтаторный способ распространения возбуждения экономичен, и скорость распространения возбуждения гораздо выше (70—120 м/с), чем по безмиелиновым нервным волокнам (0,5–2 м/с).

по нервному волокну возможно лишь в том случае, если не

нарушена его целостность. При нарушении физиологических свойств нервного волокна путем охлаждения, применения различных наркотических средств, сдавливания, а также порезами и повреждениями анатомической целостности проведение нервного импульса по нему будет невозможно.

мякотных и безмякотных нервных волокнах.
В периферических нервных волокнах возбуждение передается

только вдоль нервного волокна, но не передается на соседние, которые находятся в одном и том же нервном стволе.
В мякотных нервных волокнах роль изолятора выполняет миелиновая оболочка. За счет миелина увеличивается удельное сопротивление и происходит уменьшение электрической емкости оболочки.
В безмякотных нервных волокнах возбуждение передается изолированно. Это объясняется тем, что сопротивление жидкости, которая заполняет межклеточные щели, значительно ниже сопротивления мембраны нервных волокон. Поэтому ток, возникающий между деполяризованным участком и неполяризованным, проходит по межклеточным щелям и не заходит при этом в соседние нервные волокна.

направлениях – центростремительно и центробежно.
В живом организме возбуждение проводится только

в одном направлении. Двусторонняя проводимость нервного волокна ограничена в организме местом возникновения импульса и клапанным свойством синапсов, которое заключается в возможности проведения возбуждения только в одном направлении.

воздействую химические или наркотические вещества (альтераторы), наблюдал резкое снижение лабильности.

Парабиоз характеризуется постепенным развитием , в котором можно выделить четыре фазы:
I Продромальная (не всегда проявляется, так как очень кратковременная) характеризуется: повышением возбудимости, повышением лабильности.
II Уравнительная – эффекты от сильных и слабых раздражителей уравновешиваются.
III Парадоксальная - на сильные, либо частые раздражения эффект бывает меньше, чем на слабые или редкие.
IV Тормозная – ни сильные, ни слабые раздражения не вызывают сокращения мышц. Через поражённый участок не проходят импульсы.

Если второй парой электродов подействовать на поражённый участок, то возбуждение будет, т.е. ткань ещё жива. Если снять альтератор, то ткань возвращается к исходному состоянию в обратном порядке фаз IV, III, II, I. Парабиоз – это стойкое не распространяющееся возбуждение. Возникают потенциалы меньшие по своей амплитуде, а дальше абортивные потенциалы, не способные распространяться: уменьшаются процессы Na-евой проницаемости, и увеличиваются процессы Na-евой инактивации.

свойствами покоящейся мембраны. При действии анода, т. е. входящего тока,

происходит дозарядка мембранной емкости до некоторого более высокого потенциала. При действии катода, т. е. выходящего тока, происходит разрядка мембранной емкости. Аналогично источнику выходящего тока действуют перерезка или прокол мембраны, закорачивающие заряженную (МПП) мембрану саму на себя. Во всех этих случаях электротон (Эт) развивается по определенным единым законам. Ниже описан простейший случай действия точечного источника входящего тока в гигантском аксоне кальмара.

Распространение физического электротона по мембране гигантского нервного волокна
А — распределенный выход тока от внутриклеточного источника; Б — эквивалентная электрическая схема для правой части волокна в районе выхода тока; В — затухание злектротонических изменений МПП вдоль волокна (l) в моменты включения (t1), протекания (t2) и выключения (t3) тока; /, II — процессы возникновения и исчезновения электротона;
Г — развитие электротонического эффекта прямоугольного стимула (Ст) во времени для точек l0 и l1.

Физиологический электротон

потенциала под катодом при кратковременном пропускании тока;
Б — изменение

мембранного потенциала и критического потенциала под катодом при длительном пропускании тока;
В — возникновение потенциала действия при пороговом значении тока;
Г — изменение мембранного потенциала под анодом при кратковременном пропускании тока;
Д — изменение мембранного потенциала и критического потенциала при длительном действии сильного анодного тока — анодно-размыкательное возбуждение.

По оси ординат — величина мембранного потенциала (Екр — критический потенциал) а мВ и величина стимула в относительных единицах (от величины порога). Стрелками показана величина порога возбудимости