Генциалы, потенциалы покоя и действия некоторых ни разных авторов)

1Й внут- >) сред,	Равновесный потенциал для разных ионов. мВ			Измеренные по­тенциалы, мВ
CI, С1я"	К"	Na*	CI	покоя	на мак­симуме спайка
114 592	-88 1	+57 i	-42	-60	+50
157 496	-90	+46	-29	-60	+35
I G4	-98	+49	-105	-88	+34
9 ^кТ25	-90	+ 60	-70	—70	+30

Чтобы понять, каким образом возни­кает этот потенциал, рассмотрим следую­щий модельный опыт (рис. 2).

Представим сосуд, разделенный ис­кусственной полупроницаемой мембра­ной. Стенки пор этой мембраны заряжены электроотрицательно, поэтому они про­пускают только катионы и непроницаемы для анионов. В обе половины сосуда на­лит солевой раствор, содержащий ионы К⁺, однако их концентрация в правой части сосуда выше, чем в левой. Вслед­ствие этого концентрационного градиента ионы К⁺начинают диффундировать из правой половины сосуда в левую, принося туда свой положительный заряд. Это при­водит к тому, что непроникающие анионы начинают скапливаться у мембраны в правой половине сосуда. Своим отрица­тельным зарядом они электростатически будут удерживать К⁺у поверхности мем­браны в левой половине сосуда. В резуль­тате мембрана поляризуется, и между двумя ее поверхностями создается раз­ность потенциалов, соответствующая равновесному калиевому потенциалу(£к).

Предположение о том, что в состоя­нии покоя мембрана нервных и мышечных

волокон избирательно проницаема для К⁺и что именно их диффузия создает потенциал покоя, было высказано Бернштейном еще в 1902 г. и подтверждено Ходжкиным с сотр. в 1962 г. в опытах на изолированных гигантских аксонах кальмара. Из волокна диаметром около 1 мм осторожно выдавливали цитоплазму (аксоплазму) и спавшуюся оболочку заполняли искусственным солевым раствором. Когда концентрация К⁺в растворе была близка к внутриклеточной, между внутренней и наружной сторонами мембраны устанав­ливалась разность потенциалов, близкая к значению нормального потенциала покоя (—50--- 80 мВ), и волокно проводило импульсы. При уменьшении внутриклеточной и повышении наружной концентрации К.⁺потенциал мембраны уменьшался или даже изменялся его знак (потенциал становился положительным, если в наружном растворе концентрация К⁺была выше, чем во внутреннем).

Такие опыты показали, что концентрированный градиент К⁺действительно является основным фактором, определяющим величину потенциала покоя нервного волокна. Од­нако покоящаяся мембрана проницаема не только для К⁺, но (правда, в значительно меньшей степени) и дляNa⁺. Диффузия этих положительно заряженных ионов внутрь клетки уменьшает абсолютную величину внутреннего отрицательного потенциала клет­ки, создаваемого диффузией К⁺. Поэтому потенциал покоя волокон (—50 - 70 мВ) менее отрицателен, чем рассчитанный по формуле Нернста калиевый равновесный по­тенциал.

Ионы С1~ в нервных волокнах не играют существенной роли в генезе потенциала покоя, поскольку проницаемость для них покоящейся мембраны относительно мала. В от­личие от этого в скелетных мышечных волокнах проницаемость покоящейся мембраны для ионов хлора сравнима с калиевой, и потому диффузия С1~ внутрь клетки увеличи­вает значение потенциала покоя. Рассчитанный хлорный равновесный потенциал (Eel)

при соотношении С1

ТТГ^=_85мВ.

Таким образом, величина потенциала покоя клетки определяется двумя основными факторами: а) соотношением концентраций проникающих через покоящуюся поверхно­стную мембрану катионов и анионов; б) соотношением проницаемостей мембраны для этих ионов.

Для количественного описания этой закономерности используют обычно уравнение Гольд- мана — Ходжкина — Катца:

^М~ Р Р* • К?+ Р\_а•Na,4* Рсл• СIо" *

где Em — потенциал покоя, Р_юP_Na, P_ci — проницаемости мембраны для ионов К⁺,Na⁺ и С1~ соот­ветственно; К₀⁺Na₀⁺; С1₀" — наружные концентрации ионов К⁺,Na⁺ и СГ а Бц⁺ Naf иCli" — их внутренние концентрации.

Было рассчитано, что в изолированном гигантском аксоне кальмара при Ещ = —50 мВ имеется следующее соотношение между ионными проницаемостями покоящейся мембраны:

Р_к:Рма-Ра= 1:0,04:0,45.

Уравнение дает объяснение многим наблюдаемым в эксперименте и в естественных условиях изменениям потенциала покоя клетки, например ее стойкой деполяризации при действии некоторых токсинов, вызывающих повышение натриевой проницаемости мембраны. К таким токсинам относятся растительные яды: вератридин, аконитин и один из наиболее сильных нейротоксинов — батра- хотоксин, продуцируемый кожными железами колумбийских лягушек.

Деполяризация мембраны, как это следует из уравнения, может возникать и при неизменной P_NA, если повысить наружную концентрацию ионов К⁺(т. е. увеличить отношениеKo/Ki). Такое изменение потенциала покоя является отнюдь не только лабораторным феноменом. Дело в том, что концентрация К⁺в межклеточной жидкости заметно повышается во время активации нервных и мышечных клеток, сопровождающейся повышением Р_к.Особенно значительно возрастает концен­трация К⁺в межклеточной жидкости при нарушениях кровоснабжения (ишемия) тканей, например ишемии миокарда. Возникающая при этом деполяризация мембраны приводит к прекращению ге­нерации потенциалов действия, т. е. нарушению нормальной электрической активности клеток.

РОЛЬ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ В ГЕНЕЗЕ

И ПОДДЕРЖАНИИ ПОТЕНЦИАЛА ПОКОЯ

(НАТРИЕВЫЙ НАСОС МЕМБРАНЫ)

Несмотря на то что потоки Na⁺ и К⁺через мембрану в покое малы, разность кон­центраций этих ионов внутри клетки и вне ее должна была бы в конечном итоге вы­ровняться, если бы в клеточной мембране не существовало особого молекулярного уст­ройства — «натриевого насоса», которое обеспечивает выведение («выкачивание») из цитоплазмы проникающих в нееNa⁺ и введение («нагнетание») в цитоплазму К⁺. Натриевый насос перемещаетNa⁺ и К⁺против их концентрационных градиентов, т. е. совершает определенную работу. Непосредственным источником энергии для этой работы является богатое энергией (макроэргическое) соединение — аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), являющаяся универсальным источником энергии живых клеток. Расщепление АТФ производится макромолекулами белка — ферментом аденозинтрифосфатазой (АТФ-азой), локализованной в поверхностной мембране клетки. Энергия, выделяющаяся при расщеплении одной молекулы АТФ, обеспечивает выведение из клетки трех ионовNa⁺ взамен на два иона К⁺, поступающих в клетку снаружи.

Торможение активности АТФ-азы, вызываемое некоторыми химическими соединениями (например, сердечным гликозидом уабаином), нарушает работу насоса, вследствие чего клетка теряет К⁺и обогащаетсяNa ⁺. К такому же результату приводит торможение окислительных и гликолитических процессов в клетке, обеспечивающих синтез АТФ. В эксперименте это достигается при помощи ядов, ингибирующих указанные процессы. В условиях нарушения кровоснабжения тканей, ослабления процесса тканевого дыхания происходит угнетение работы электрогенного насоса и как следствие накопление К⁺в межклеточных щелях и деполяризация мембраны.

Роль АТФв механизме активного транспортаNa⁺ прямо доказана в опытах на ги­гантских нервных волокнах кальмара. Было установлено, что путем введения внутрь волокна АТФможно временно восстановить работу натриевого насоса, нарушенную ин­гибитором дыхательных ферментов цианидом.

Первоначально полагали, что натриевый насос электронейтрален, т. е. число обме­ниваемых ионов Na⁺ и К⁺равно. В дальнейшем выяснилось, что на каждые три ионаNa⁺, выводимые из клетки, в клетку поступает только два иона К⁺. Это означает, что насос электрогенен: он создает на мембране разность потенциалов, суммирующуюся с потенциалом покоя.

Этот вклад натриевого насоса в нормальную величину потенциала покоя у различных клеток не одинаков: он, по-видимому, незначителен в нервных волокнах кальмара, но существен для потенциала покоя (составляет около 25% от полной величины) в гигантских нейронах моллюсков, гладких мышцах.

Таким образом, в формировании потенциала покоя натриевый насос играет двоякую роль: 1) создает и поддерживает трансмембранный градиент концентраций Na⁺ и К⁺; 2) генерирует разность потенциалов, суммирующуюся с потенциалом, создаваемым диффузией К⁺по концентрационному градиенту.

ПОТЕНЦИАЛ ДЕЙСТВИЯ

Потенциалом действия называют быстрое колебание мембранного потенциала, воз­никающее при возбуждении нервных, мышечных и некоторых других клеток. В его основе лежат изменения ионной проницаемости мембраны. Амплитуда и характер временных изменений потенциала действия мало зависят от силы вызывающего его раздражителя, важно лишь, чтобы эта сила была не меньше некоторой критической величины, которая называется порогом раздражения. Возникнув в месте раздражения, потенциал действия распространяется вдоль нервного или мышечного волокна, не изменяя своей амплитуды. Наличие порога и независимость амплитуды потенциала действия от силы вызвавшего его стимула получили название закона «все или ничего».

MB _

+30 —

t*

_ a I \6

! I t

-60 -

= 11 v

-100 —

Л Л Л Л

I I I I I i )I П ИI I I I I I H 11 '

Рис. 3. Потенциал действия скелетного мышечного волокна. зарегистрированный с помощью внутри­клеточного микроэлектрода.

а — фи за :1сполнрк.<<тии_<б фаз я рсполярпзацни, в - фаза следовой деполяризации (отрицатель­ный следовой потенциал). Момент нанссения раздражении показан стрелкой.

Рис. 4. Потенциал действия гигантского аксона кальмара, отводимый г помощью внутриклеточного электрода [Ходжкин А.. 1965].

По вертикали отложены значения потенциала внутрнклеточного электрода по отношению к его потенциалу в наружном растворе (в милливольтах); а —следовой положительный потенциал; 6 отметка времени — 500 колебаний в 1 с.

В естественных условиях потенциалы действия генерируются в нервных волокнах при раздражении рецепторов или возбуждении нервных клеток. Распространение потен­циалов действия по нервным волокнам обеспечивает передачу информации в нервной системе. Достигнув нервных окончаний, потенциалы действия вызывают секрецию хими­ческих веществ (медиаторов), обеспечивающих передачу сигнала на мышечные или нерв­ные клетки. В мышечных клетках потенциалы действия инициируют цепь процессов, вы­зывающих сократительный акт. Ионы, проникающие в цитоплазму во время генерации потенциалов действия, оказывают регулирующее влияние на метаболизм клетки и, в част­ности, на процессы синтеза белков, составляющих ионные каналы и ионные насосы.

Для регистрации потенциалов действия используют вне- или внутриклеточные элект­роды. При внеклеточном отведении электроды подводят к наружной поверхности во­локна (клетки). Это позволяет обнаружить, что поверхность возбужденного участка на очень короткое время (в нервном волокне на тысячную долю секунды) становится заря­женной отрицательно по отношению к соседнему покоящемуся участку.

-70

Использование внутриклеточных микроэлектродов позволяет количественно охарак­теризовать изменения мембранного потенциала во время восходящей и нисходящей фаз потенциала действия. Установлено, что во время восходящей фазы (фаза деполяриза­ции)происходит не просто исчезновение потенциала покоя (как это первоначально пред­полагали), а возникает разность потенциалов обратного знака: внутреннее содержимое клетки становится заряженным положительно по отношению к наружной среде, иными словами, происходит реверсия мембранного потенциала.Во время нисходящей фазы (фазы реполяризации) мембранный потенциал возвращается к своему исходному зна­чению. На рис. 3 и 4 приведены примеры записей потенциалов действия в скелетном мышечном волокне лягушки и гигантском аксоне кальмара. Видно, что в момент достиже­ния вершины (пика)мембранный потенциал составляет + 30 / + 40 мВ и пиковое колеба­ние сопровождается длительными следовыми изменениями мембранного потенциала, после чего мембранный потенциал устанавливается на исходном уровне. Длительность пика потенциала действия у различных нервных и скелетных мышечных волокон варьи-

L-

б

Рис. 5. Суммация следовых потенциалов в диаф- рагмальном нерве кошки при кратковременном его раздражении ритмическими импульсами.

Восходящая часть потенциала действия не видна. Записи начинаются с отрицательных следовых потенциалов (а), переходящих в положительные потенциалы (б). Верхняя кривая — ответ на одиночное раздражение. С увеличенем частоты стимуляции (от 10 до 250 в 1 с) следовой положительный потенциал (следовая гиперполяризация) резко возрастает.

рует от 0,5 до 3 мс, причем фаза реполяризации продолжительнее фазы деполяризации, бДлительность потенциала действия, особенно

фазы реполяризации, находится в тесной зависимости от температуры: при охлаждении на 10 °С продолжительность пика увеличивается примерно в 3 раза.

Изменения мембранного потенциала, следующие за пиком потенциала действия, называют следовыми потенциалами.

Различают два вида следовых потенциалов — следовую деполяризациюи следовую гиперполяризацию.Амплитуда следовых потенциалов обычно не превышает нескольких милливольт (5—10% от высоты пика), а длительность их у различных волокон состав­ляет от нескольких миллисекунд до десятков и сотен секунд.

Зависимость пика потенциала действия и следовой деполяризации может быть рас­смотрена на примере электрического ответа скелетного мышечного волокна. Из записи, приведенной на рис. 3, видно, что нисходящая фаза потенциала действия (фаза реполя­ризации) делится на две неравные части. Вначале падение потенциала происходит бы­стро, а затем сильно замедляется. Этот медленный компонент нисходящей фазы потен­циала действия называют следовой деполяризацией.

Пример следовой гиперполяризации мембраны, сопровождающей пик потенциала действия в одиночном (изолированном) гигантском нервном волокне кальмара, показан на рис. 4. В этом случае нисходящая фаза потенциала действия непосредственно пере­ходит в фазу следовой гиперполяризации, амплитуда которой в данном случае достигает 15 мВ. Следовая гиперполяризация характерна для многих безмякотных нервных воло­кон холоднокровных и теплокровных животных. В миелинизированных нервных волокнах следовые потенциалы имеют более сложный характер. Следовая деполяризация может переходить в следовую гиперполяризацию, затем иногда возникает новая деполяризация, лишь после этого происходит полное восстановление потенциала покоя. Следовые потен­циалы в значительно большей мере, чем пики потенциалов действия, чувствительны к изменениям исходного потенциала покоя, ионного состава среды, кислородного снабже­ния волокна и т. д.

Характерная особенность следовых потенциалов — их способность изменяться в процессе ритмической импульсации (рис. 5).

ИОННЫЙ МЕХАНИЗМ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ПОТЕНЦИАЛА ДЕЙСТВИЯ

В основе потенциала действия лежат последовательно развивающиеся во времени изменения ионной проницаемости клеточной мембраны.

Как отмечалось, в состоянии покоя проницаемость мембраны для калия превышает ее проницаемость для натрия. Вследствие этого поток К.⁺из цитоплазмы во внешний раствор превышает противоположно направленный потокNa⁺. Поэтому наружная сто­рона мембраны в покое имеет положительный потенциал по отношению к внутренней.

При действии на клетку раздражителя проницаемость мембраны для Na⁺ резко повышается и в конечном итоге становится примерно в 20 раз больше проницаемости для К⁺. Поэтому потокNa⁺ из внешнего раствора в цитоплазму начинает превышать

направленный наружу калиевый ток. Это приводит к изменению знака (реверсии) мембранного потенциала: внутреннее со­держимое клетки становится заряженным положительно по отношению к ее наружной поверхности. Указанное изменение мембранного потенциала соответствует восходящей фазе потенциала действия (фаза деполяризации).

Повышение проницаемости мембраны для Na⁺ продолжается лишь очень короткое время. Вслед за этим проницаемость мембраны дляNa⁺ вновь понижается, а для К⁺возрастает. воемя, «с

Процесс, ведущий к понижению ранее ^ , ₀„ „ - / \

^к„^J „^кРис. 6. Временной ход изменении натриевои(g_Na)

увеличенной натриевои ^ проницаемости _{и каЛ}иевой (g_K) проницаемости мембраны гигант- мембраны, назван натриевой инактивацией, ского аксона кальмара во время генерации потен- В результате инактивации потокNa⁺ внутрь циала действия(V).

цитоплазмы резко ослабляется. Увеличение же калиевой проницаемости вызывает усиление потока К⁺из цитоплазмы во внешний раствор. В итоге этих двух процессов и происходит реполяризация мембраны: внутреннее содержимое клетки вновь приобретает отрицательный заряд по отношению к наружному раствору. Этому изменению потенциала соответствует нисходящая фаза потенциала действия (фаза реполяри-зации).

Одним из важных аргументов в пользу натриевой теории происхождения потенциалов дей­ствия был факт тесной зависимости его амплитуды от концентрации Na⁺ во внешнем растворе. Опыты на гигантских нервных волокнах, перфузируемых изнутри солевыми растворами, позволили получить прямое подтверждение правильности натриевой теории. Установлено, что при замене аксоплазмы солевым раствором, богатым К⁺, мембрана волокна не только удерживает нормальный потенциал покоя, но в течение длительного времени сохраняет способность генерировать сотни тысяч потенциалов действия нормальной амплитуды. Если же К⁺во внутриклеточном растворе частично заменить наNa⁺ и тем самым снизить градиент концентрацииNa⁺ между наружной средой и внутренним раствором, амплитуда потенциала действия резко понижается. При полной замене К⁺ HaNa⁺ волокно утрачивает способность генерировать потенциалы действия.

Эти опыты не оставляют сомнения в том, что поверхностная мембрана действительно является местом возникновения потенциала как в покое, так и при возбуждении. Становится очевидным, что разность концентраций Na⁺ и К⁺внутри и вне волокна является источником электродвижущей силы, обусловливающей возникновение потенциала покоя и потенциала действия.

На рис. 6 показаны изменения натриевой и калиевой проницаемости мембраны во время генерации потенциала действия в гигантском аксоне кальмара. Аналогичные отно­шения имеют место в других нервных волокнах, телах нервных клеток, а также в скелет­ных мышечных волокнах позвоночных животных. В скелетных мышцах ракообразных животных и гладких мышцах позвоночных в генезе восходящей фазы потенциала дейст­вия ведущую роль играют ионы Са²⁺. В клетках миокарда начальный подъем потен­циала действия связан с повышением проницаемости мембраны дляNa⁺, а плато по­тенциала действия обусловлено повышением проницаемости мембраны и для ионов Са²⁺.

О ПРИРОДЕ ИОННОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ МЕМБРАНЫ. ИОННЫЕ КАНАЛЫ

В основе рассмотренных изменений ионной проницаемости мембраны при генерации потенциала действия лежат процессы открывания и закрывания специализированных ионных каналов в мембране, обладающих двумя важнейшими свойствами: 1) избира­тельностью (селективностью) по отношению к определенным ионам; 2) электровозбуди­

мостью, т. е. способностью открываться и закрываться в ответ на изменения мембранного потенциала. Процесс открывания и закрывания канала имеет вероятностный характер (мембранный потенциал лишь определяет вероятность нахождения канала в открытом или закрытом состоянии).

Так же как ионные насосы, ионные каналы образованы макромолекулами белков, пронизы­вающими липидный бислой мембраны. Химическая структура этих макромолекул еще на расшифро­вана, поэтому представления о функциональной организации каналов строятся пока главным обра­зом косвенно — на основании анализа данных, полученных при исследованиях электрических яв­лений в мембранах и влияния на каналы различных химических агентов (токсинов, ферментов, лекарственных веществ и т. д.). Принято считать, что ионный канал состоит из собственно транс­портной системы и так называемого воротного механизма («ворот»), управляемого электрическим полем мембраны. «Ворота» могут находиться в двух положениях: они полностью закрыты или пол­ностью открыты, поэтому проводимость одиночного открытого канала — постоянная величина. Суммарная проводимость мембраны для того или иного иона определяется числом одновременно открытых каналов, проницаемых для данного иона.

Это положение может быть записано следующим образом:

iV ■ су,

где gi — суммарная проницаемость мембраны для внутриклеточного иона; N— общее число соот­ветствующих ионных каналов (в данном участке мембраны); а- -доля открытых каналов; у — проводимость одиночного канала.

По своей селективности электровозбудимые ионные каналы нервных и мышечных клеток под­разделяются на натриевые, калиевые, кальциевые, хлорные. Селективность эта не абсолютная: название канала указывает лишь ион, для которого данный канал наиболее проницаем.