Іонні механізми виникнення потенціалу дії

Іонні механізми виникнення потенціалу дії в нервових волокнах стали зрозумілими завдяки дослідженням К. Коула, X. Кертіса, А. Ходжкіна, Б. Катца й А. Хакслі на гігантських нервових волокнах (аксонах) кальмара. Діаметр цих волокон нерідко сягає 500-800 мкм. Такі великі розміри дозволили вводити в них внутрішньоклітинні електроди й вимірювати потенціал спокою, потенціал дії, а також іонні струми, що проходять через плазматичну мембрану в разі зміни мембранного потенціалу в умовах фіксування потенціалу. Великі розміри гігантських аксонів полегшують аналіз хімічного складу цитоплазми.

Потенціал дії. Потенціал дії виникає при зміщенні мембранного потенціалу до критичної величини, названої порогом. Потенціал спокою гігантського нервового волокна кальмара становить приблизно -60 мВ. Зміщення мембранного потенціалу до -45 мВ приводить до виникнення потенціалу дії. Коул і Кертіс (1939) виявили, що під час виникнення потенціалу дії в аксоні кальмара опір мембрани зменшується у 25 разів - з 1000 до 40 Ом • см², тоді як електрична ємність мембрани при цьому практично не змінюється.

Ходжкін і Катц встановили, що збільшення провідності мембрани під час потенціалу дії зумовлено підвищенням її проникності для іонів натрію. Якщо у стані спокою мембрана переважно є проникною для іонів калію й потенціал спокою (-60 мВ) близький до рівноважного потенціалу для іонів калію (-75 мВ), то під час збудження натрієві канали активуються, тобто підвищується проникність мембрани для іонів натрію й виникає натрієвий струм, спрямований у клітину. Зміна мембранного потенціалу, що відбувається при цьому, носить регенеративний характер. Деполяризація збільшує проникність мембрани для іонів натрію, що приводить до подальшої деполяризації і, у свою чергу, ще більше підвищує проникність мембрани для іонів натрію (рис. 9.1). Під час потенціалу дії спостерігається зміна знака мембранного потенціалу.

Рис. 9.1. Схема взаємного підсилення деполяризації мембрани й підвищення її проникності для іонів натрію

З наближенням мембранного потенціалу до рівня рівноважного потенціалу для іонів натрію (E_Na = + 55 мВ) знижується вхідний натрієвий струм. Крім того, позитивне зміщення мембранного потенціалу не лише активує натрієві канали, але й водночас спричинює більш повільний процес, названий інактивацією, який виявляється у зменшенні кількості функціонуючих каналів. Під час потенціалу дії також відносно повільно підвищується калієва провідність мембрани. У результаті інактивації натрієвої провідності мембрани й підвищення калієвої створюються умови для реполяризації потенціалу дії й обмеження його тривалості.

Потенціали дії в аксоні кальмара супроводжуються слідовою гіперполяризацією. Це зумовлено тим, що після потенціалу дії провідність мембрани для іонів калію є більш високою, ніж у стані спокою, у зв'язку із чим мембранний потенціал наближається до калієвого рівноважного потенціалу. На рис. 9.2, а наведено криві розвитку потенціалу дії й слідової гіперполяризації в гігантському аксоні кальмара, а також зміни натрієвої та калієвої провідності мембрани під час потенціалу дії.

Рис. 9.2. Теоретично розраховані криві поширювального потенціалу дії (а)

і зміни провідності мембрани для іонів натрію та калію (б)

Важливим наслідком інактивації натрієвих каналів є рефрактерність. Спостерігається абсолютний рефрактерний період, коли нервове волокно не може бути збуджено. За ним слідує відносний рефрактерний період, під час якого поріг виникнення потенціалу дії помітно підвищується.

Потенціал дії в нервовому волокні зумовлює проникнення певної кількості іонів натрію у волокно й виходу з нього еквівалентної кількості іонів калію. При цьому гігантський аксон кальмара діаметром 500 мкм під час потенціалу дії втрачає близько однієї мільйонної частини внутрішньоклітинного калію. У разі повного вимикання механізму активного транспорту іонів натрію та калію таке нервове волокно може генерувати близько 5•10⁵ нервових імпульсів. У волокні діаметром 5 мкм потенціал дії викликає втрату однієї тисячної частки внутрішньоклітинного калію.

Мінімальну кількість іонів натрію, необхідну для зміни мембранного потенціалу до рівня максимуму потенціалу дії, можна розрахувати, знаючи електричну ємність мембрани та амплітуду потенціалу дії. Електрична ємність мембрани становить приблизно 1 мкФ/см², і якщо амплітуда потенціалу дії дорівнюватиме 100 мВ, то електричний заряд, необхідний для такої зміни різниці потенціалів на мембрані, становитиме СV =10^–7 Кл см^–2, де С - електрична ємність мембрани, розрахована на 1 см² площі; V - амплітуда потенціалу дії. Розділивши заряд на число Фарадея, одержують кількість одновалентних іонів, що несуть такий заряд:

CV/F = 10^–12 моль см^–2.

Експерименти показали, що за потенціалу дії в нервове волокно фактично проникає у три-чотири рази більше іонів натрію, ніж випливає з такого розрахунку. Це зумовлено тим, що на час потенціалу дії перекриваються періоди високої провідності мембрани для іонів натрію та калію й одночасно існують протилежно спрямовані натрієві та калієві струми через мембрану.

Здатність генерувати потенціали дії значною мірою залежить від функціонування низки калієвих каналів. Від них залежить як електрична збудливість, так і часовий перебіг потенціалу дії.

У створенні вхідного струму, крім натрієвих, беруть участь кальцієві канали, їхня активація впливає на перебіг деполяризації й зумовлює локальне накопичення іонів кальцію у примембранному просторі всередині клітині, що, у свою чергу, впливає на низку внутрішньоклітинних процесів.

Канальні білки, що забезпечують безпосередньо проходження іонів через мембрану, динамічно регулюються комплексом асоційованих білків, які впливають на функціонування ворітних механізмів каналів. Встановлено можливість істотної модифікації потенціалкерованих іонних каналів під час повторюваної генерації потенціалів дії у певних ділянках нервової клітини, зокрема в сомі (І. Магура, 1973). Це змінює часовий перебіг потенціалів дії й сприяє більш ефективному здійсненню інтегративної функції нервовою клітиною.