Общая характеристика, механизм возникновения ПД

Потенциал действия — это электрофизиологический процесс, выражающийся в быстром колебании мембранного потенциала покоя вследствие перемещения ионов в клетку и из клетки и способный распространяться без декремента (без затухания). ПД обеспечивает передачу сигналов между нервными клетками, между нервными центрами и рабочими органами, в мышцах ПД обеспечивает процесс электромеханического сопряжения. Характеристика ПД. Величина ПД колеблется в пределах 80 — 130 мВ, длительность пика ПД нервного волокна 0,5 — 1 мс, волокна скелетной мышцы — до 10 мс с уютом замедления деполяризации в ее конце. Длительность ПД сердечной мышцы 300 — 400 мс. Амплитуда ПД не зависит от силы раздражения, она всегда максимальна для данной клетки в конкретных условиях: ПД подчиняется закону «все или ничего», но не подчиняется закону силовых отношений, т. е. закону силы. При малом раздражении клетки ПД либо совсем не возникает, либо достигает максимальной величины, если раздражение является пороговым или сверхпороговым. Следует отметить, что слабое (подпороговое) раздражение может вызвать локальный потенциал. Он подчиняется закону силы: с увеличением силы стимула величина его также возрастает. В составе ПД различают три фазы: 1 — деполяризация, т.е. исчезновение заряда клетки (уменьшение мембранного потенциала до нуля); 2 — инверсия, т.е. изменение заряда клетки на обратный, когда внутренняя сторона мембраны клетки заряжается положительно, а внешняя — отрицательно (от лат. inversio— переворачивание); 3 — реполяризация, т.е. восстановление исходного заряда клетки, когда внутри клетки заряд снова становится отрицательным, а снаружи — положительным.

Механизм возникновения ПД. Если действие раздражителя на клеточную мембрану приводит к началу развития ПД, далее сам все время будет возникать. Но после исчезновения градиентов концентраций ионов (устранения потенциальной энергии) клетка генерировать ПД не будет. Рассмотрим фазы ПД.

Существует много различных названий фаз ПД (единого мнения не сложилось): 1) местное возбуждение — пик ПД — следовые потенциалы; 2) фаза нарастания — фаза спада — следовые потенциалы; 3) деполяризация — овершут (перехлест, превышение, перелет), причем эта фаза, в свою очередь, делится на восходящую (инверсия, от лат. inversio — переворачивание) и нисходящую (реверсия, от лат. reversio — возврат) реполяризацию. Но и здесь очевидны некоторые противоречия. Например, деполяризацией называют всю восходящую часть ПД, однако она включает не только процесс деполяризации, но и реполяризации с обратным знаком (овершут). Имеются и другие названия. Наиболее корректны названия фаз ПД, в которых заложена общая идея, например изменение заряда клетки: 1) фаза деполяризации — процесс исчезновения заряда клетки до нуля; 2) фаза инверсии — изменение заряда клетки на противоположный, т.е. весь период ПД, когда внутри клетки заряд положительный, а снаружи отрицательный; 3) фаза реполяризации — восстановление заряда клетки до исходной величины (возврат к потенциалу покоя).

Фаза деполяризации. При действии деполяризующего раздражителя на клетку, например, электрического тока, начальная частичная деполяризация клеточной мембраны происходит без изменения ее проницаемости для ионов. Когда деполяризация достигает примерно 50% пороговой величины (50% порогового потенциала), возрастает проницаемость мембраны клетки для Na+, причем в первый момент сравнительно медленно. Естественно, что скорость входа Na+ в клетку при этом невелика. В этот период, как и во время всей первой фазы (деполяризации), движущей силой, обеспечивающей вход Na+ в клетку, являются концентрационный и электрический градиенты. Напомним, что клетка внутри заряжена отрицательно (разноименные заряды притягиваются друг к другу), а концентрация Na+ вне клетки в 10 — 12 раз больше, чем внутри клетки. Условием, обеспечивающим вход Na+ в клетку, является увеличение проницаемости клеточной мембраны, которая определяется состоянием воротного механизма Na-каналов (в некоторых клетках, в частности в кардиомио-цитах, в волокнах гладкой мышцы, важную роль в возникновении ПД играют управляемые каналы для Са2+). Длительность пребывания электроуправляемого канала в открытом состоянии зависит от величины мембранного потенциала. Суммарный ток ионов в любой момент определяется числом открытых каналов клеточной мембраны. Часть ионного канала, обращенная во внеклеточное пространство, отличается от части канала, обращенной внутрь клеточной среды (П. Г. Костюк). Воротный механизм Na-каналов расположен на внешней и внутренней сторонах клеточной мемб-паны, воротный механизм К-каналов — на внутренней (К+ движется из клетки наружу). В каналах для Na+ имеются активационные m-ворота, которые расположены с внешней стороны клеточной мембраны (Na+ движется внутрь клетки во время ее возбуждения), и инактивационные /г-ворота, расположенные с внутренней стороны клеточной мембраны. В условиях покоя активацион-ные w-ворота закрыты, инактивационные /г-ворота преимущественно (около 80%) открыты; закрыты также калиевые активационные ворота, инактиваци-онных ворот для К+ нет.

Некоторые авторы w-ворота называют быстрыми, /г-ворота медленными, поскольку они в процессе возбуждения клетки реагируют позже, нежели m-ворота. Однако более поздняя реакция /г-ворот связана с изменением заряда клетки, как и m-ворот, которые открываются в процессе деполяризации клеточной мембраны. Закрываются /г-ворота в фазу инверсии, когда заряд внутри клетки становится положительным, что и является причиной их закрытия. При этом нарастание пика ПД прекращается. Поэтому m-ворота лучше назвать ранними, а А-ворота — поздними.

Когда деполяризация клетки достигает критической величины (Екр, критический уровень деполяризации — КУД), которая обычно составляет -50 мВ (возможны и другие величины), проницаемость мембраны для Na+ резко возрастает: открывается большое число потенциалзависимых /я-ворот Na-каналов и Na+ лавиной устремляется в клетку. Через один открытый Na-канал за 1 мс проходит до 6000 ионов. В результате интенсивного тока Na+ внутрь клетки процесс деполяризации проходит очень быстро. Развивающаяся деполяризация клеточной мембраны вызывает дополнительное увеличение ее проницаемости и, естественно, проводимости Na+: открываются все новые и новые активационные w-ворота Na-каналов, что придает току Na+ в клетку характер регенеративного процесса. В итоге ПП исчезает, становится равным нулю. Фаза деполяризации на этом заканчивается.

Фаза инверсии. После исчезновения ПП вход Na+ в клетку продолжается (т-ворота Na-каналов еще открыты), поэтому число положительных ионов в клетке превосходит число отрицательных ионов, заряд внутри клетки становится положительным, снаружи — отрицательным. Процесс перезарядки мембраны представляет собой вторую фазу потенциала действия — фазу инверсии. Теперь электрический градиент препятствует входу Na+ внутрь клетки (положительные заряды отталкиваются ДРУГ от друга), Na-проводимость снижается. Тем не менее некото-Р°е время (доли миллисекунды) Na+ продолжает входить в клет-КУ. о чем свидетельствует продолжающееся нарастание ПД. Это означает, что концентрационный градиент, обеспечивающий движение Na+ в клетку, сильнее электрического, препятствующего входу Na+ в клетку. Во время деполяризации мембраны увеличивается проницаемость ее и для Са2+, который также идет в клетку, но в нервных волокнах, нейронах и клетках скелетной мускулатуры роль Са2+ в развитии ПД мала. В клетках гладкой мышцы и миокарда его роль существенна. Таким образом, вся восходящая часть пика ПД в большинстве случаев обеспечивается в основном входом Na+ в клетку.

Примерно через 0,5 — 2 мс и более после начала деполяризации (это время зависит от вида клетки) рост ПД прекращается в результате закрытия натриевых инактивационных г-ворот и открытия ворот К-каналов, т.е. вследствие увеличения проницаемости для К+ и резкого возрастания выхода его из клетки. Препятствует также росту пика ПД снижение электрического градиента Na+ (клетка внутри в этот момент заряжена положительно), а также выход К+ из клетки по каналам утечки. Поскольку К+ находится преимущественно внутри клетки, он согласно концентрационному градиенту быстро выходит из нее, вследствие чего уменьшается число положительно заряженных ионов в клетке. Заряд клетки снова начинает уменьшаться. Во время нисходящей составляющей фазы инверсии выходу К+ из клетки способствует также и электрический градиент. К+ выталкивается положительным зарядом из клетки и притягивается отрицательным зарядом снаружи клетки. Так продолжается до полного исчезновения положительного заряда внутри клетки, когда начинается следующая фаза ПД — фаза реполяризации. Калий выходит из клетки не только по управляемым каналам, ворота которых открыты, но и по неуправляемым, т.е. каналам утечки, что несколько замедляло ход восходящей части ПД и ускоряло ход нисходящей составляющей ПД.

Таким образом, изменение мембранного потенциала покоя ведет к последовательному открытию или закрытию электроуправляемых ворот ионных каналов и движению ионов согласно электрохимическому градиенту — возникновению ПД. Все фазы являются регенеративными: необходимо только достичь критического уровня деполяризации, далее ПД развивается за счет потенциальной энергии клетки в виде электрохимических градиентов, т.е. вторично-активно.

Амплитуда ПД складывается из величины ПП (потенциала покоя) и величины фазы инверсии, составляющей у разных клеток 10— 50мВ. Если мембранный ПП мал, амплитуда ПД этой клетки небольшая.

Фаза реполяризации связана с тем, что проницаемость клеточной мембраны для К+ все еще высока (активационные ворота калиевых каналов открыты), К+ продолжает быстро выходить из клетки согласно концентрационному градиенту. Поскольку клетка теперь снова внутри имеет отрицательный заряд, а снаружи — положительный, электрический градиент препятствует выходу К+ из клетки, что снижает его проводимость, хотя он продолжает выходить. Это объясняется тем, что действие концентрационного градиента выражено значительно сильнее электрического градиента. Таким образом, вся нисходящая часть пика ПД обусловлена выходом К+ из клетки. Нередко в конце ПД наблюдается замедление реполяризации, что объясняется уменьшением проницаемости клеточной мембраны для К+ и замедлением выхода его из клетки из-за закрытия ворот К-каналов. Следующая причина замедления тока К+ из клетки связана с возрастанием положительного потенциала наружной поверхности клетки и формированием противоположно направленного электрического градиента.

При наличии определенного ПП, как следует из описанных механизмов, ПД не должен возникать, если клетку перенести в солевой раствор, не содержащий Na+, что и было продемонстрировано в экспериментах. Если аксон помещать в растворы с различной концентрацией Na+, величина ПД будет уменьшаться с уменьшением концентрации Na+ в окружающей нервное волокно среде. ПД также уменьшается, если частично заблокировать Na-каналы тетродотоксином. При их полной блокаде ПД вообще не возникает. Возможность временного нарушения работы Na-каналов широко используется в клинической практике. Так, с помощью местных анестетиков расстраивается механизм управления ворот Na-каналов. Это приводит к прекращению проведения возбуждения в соответствующем участке нерва, устранению болевых ощущений, например при хирургических вмешательствах. Таким образом, главную роль в возникновении ПД играет Na+, входящий в клетку при повышении проницаемости клеточной мембраны и обеспечивающий всю восходящую часть пика ПД. При замене Na^" в среде на другой ион, например холин, ПД в нервной и мышечной клетках скелетной мускулатуры не возникает. Однако проницаемость мембраны для К+ тоже играет важную роль. Если повышение проницаемости для К+ предотвратить тетраэтиламмонием, мембрана после ее деполяризации реполяризуется гораздо медленнее, только за счет медленных неуправляемых каналов (каналов утечки ионов), через которые К+ будет выходить из клетки.

Роль Са2+ в возникновении ПД в нервных и мышечных клетках скелетной мускулатуры незначительна. Однако Са2+ играет важную РОЛЬ в возникновении ПД сердечной и гладкой мышц, в передаче импульсов от одного нейрона к другому, от нервного волокна к мышечному, в обеспечении мышечного сокращения. Снижение содержания Са2+ в крови на 50%, что иногда встречается в клинической практике, может привести к судорожным сокращениям скелетных мышц. Это объясняется значительным повышением возбудимости нервных и мышечных клеток в результате снижения ПП из-за уменьшения степени нейтрализации отрицательных фиксированных зарядов на поверхности клеточной мембраны и отрицательно заряженных карбоксильных групп интерстиция. Вследствие этого повышается реактивность нейронов, так как ПП приближается к Екр, кроме того, начинается активация Na-каналов. В ответ на поступление самой незначительной импульсации нейроны начинают генерировать ПД в большом количестве, что проявляется в судорожных сокращениях скелетной мускулатуры. При этом нейроны ЦНС и нервные волокна могут разряжаться и спонтанно.

Следовые явления в процессе возбуждения клетки. В конце ПД, например в скелетной мышце, нередко наблюдается замедление реполяризации, что называют отрицательным следовым потенциалом. Затем может быть зарегистрирована гиперполяризация клеточной мембраны, что более характерно для нервных клеток. Это явление называют положительным следовым потенциалом. Вслед за ним может возникнуть частичная деполяризация клеточной мембраны, которую также называют отрицательным следовым потенциалом, как и в случае замедления фазы реполяризации. Во-первых, необходимо отметить, что имеет место терминологическая путаница (два разных по происхождению отрицательных следовых потенциала). Во-вторых, замедление фазы реполяризации вообще не является следовым процессом — это часть фазы реполяризации, которая задерживается вследствие уменьшения проницаемости клеточной мембраны для К+ и замедления выхода его из клетки. В-третьих, термин «потенциал» применяется в других случаях: ПП, ПД, локальный потенциал, рецепторный потенциал, синапти-ческий потенциал. Вслед за ПД возникают не потенциалы, а сначала следовая гиперполяризация, затем — следовая деполяризация. Причем следовые явления возникают после полного восстановления мембранного потенциала до исходного уровня, но не как результат замедления фазы реполяризации, являющейся одной из фаз ПД. В сердечной и гладкой мышцах тоже наблюдается замедленная реполяризация, но на более высоком уровне — плато.

Следовая гиперполяризация клеточной мембраны обычно является следствием еще сохраняющейся повышенной проницаемости клеточной мембраны для К+, она характерна для нейронов. Активационные ворота К-каналов еще не полностью закрыты, поэтому К+ продолжает выходить из клетки согласно концентрационному градиенту, что и ведет к гиперполяризации клеточной мембраны. Постепенно проницаемость клеточной мембраны возвращается к исходной (натриевые и калиевые ворота возвращаются в исходное состояние), а мембранный потенциал становится таким же, каким он был до возбуждения клетки. Na/K-помпа непосредственно за фазы потенциала действия не отвечает, хотя она и продолжает работать во время развития ПД: ионы перемещаются с огромной скоростью согласно концентрационному и частично электрическому градиентам. Возможно К+-помпа способствует развитию следовой гиперполяризации. В некоторых клетках, например в тонких немиелинизированных нервных волокнах (болевых афферентах) хорошо выражена длительная следовая гиперполяризация. Она обеспечивается работой Na/K-насоса, активируемого процессом возбуждения (накопившимся в клетке Na+: на каждые 2К+, возвращаемые в клетку, выводится 3Na+ из клетки). Если блокировать выработку энергии, то эта гиперполяризация исчезает.

Следовая деполяризация также характерна для нейронов, она может быть зарегистрирована и в клетках скелетной мышцы. Механизм следовой деполяризации изучен недостаточно. Возможно, Это связано с кратковременным повышением проницаемости клеточной мембраны для Na+ и входом его в клетку согласно концентрационному и электрическому градиентам.