Закон “всё или ничего”

Потенциал действия представляет собой последовательную деполяризацию и реполяризацию мембраны - постоянный для каждой клетки ауторегенеративный процесс, который включается, как только уровень деполяризации мембраны перейдет за пороговый потенциал. Клетки, в которых можно вызвать потенциалы действия, называются возбудимыми. Каждый тип клеток имеет постоянный и характерный для данного типа временной ход потенциала действия. Он практически не зависит от частоты возбуждения клетки. Поскольку форма потенциалов постоянная, говорят, что возбуждение протекает по закону “все или ничего”.

Ионные токи во время ПД.

Потенциал покоя (ПП) близок к уровню разновесного потенциала для ионов калия, для которых мембрана в состоянии покоя проницаема. Если во время ПД внутренняя среда клетки становится заряженной положительно по отношению к внешнеклеточному пространству, проводимость мембраны для Na+ должна возрастать, что подтверждается экспериментально. ПД можно генерировать только при высокой концентрации натрия вне клетки. Таким образом, в основе процесса возбуждения лежит повышение проводимости мембраны для натрия, вызываемое ее деполяризацией до порогового уровня. Однако проводимость калия тоже играет роль. Повышение проводимости калия является важным фактором реполяризации мембран. Итак, ПД обусловлен циклическим процессом входа натрия в клетку и последующим выходом калия. Классические опыты, выполненные в 40-50-ых годах нашего столетия английскими учеными Ходжкиным и Хаксли на гигантском волокне аксона кальмара, определили механизм проведения электрического импульса. Длина аксона (до 1 метра) и его диаметр (до 1 мм) идеально подходили для таких опытов. Два электрода - раздражающий, по которому можно было дозировать электрическое раздражение и отводящий, позволили регистрировать все мембранные токи при каждом воздействии. Решающим моментом стало понимание того, что проницаемость мембраны для натрия и калия изменяется при изменении мембранного потенциала. Были подробно изучены механизмы открытия и закрытия этих каналов при изменении МП, показано, что ПД есть прямое следствие этих закономерностей.
ПД возникает, когда мембрана деполяризуется до уровня превышающего определенный порог. В результате такой деполяризации мембраны, здесь открываются потенциал-зависимые Na+-каналы, что вызывает ток ионов натрия вниз по их электрохимическому градиенту. Следствием этого становится дальнейшая деполяризация мембраны, в результате чего открывается еще больше Na+-каналов и т. д. Эта цепная реакция идет до тех пор, пока потенциал на этом участке мембраны не приблизится к Na+-равновесному потенциалу (60 мВ). На этом этапе происходят два события, которые возвращают потенциал мембраны к исходному уровню: Na+-каналы закрываются, т.е. переходят в инактивированное состояние, а потенциал зависимые К+- каналы открываются.
К+-каналы реагируют на изменение мембранного потенциала, почти как Na+-каналы, но медленнее, поэтому их называет медленными К+-каналами. Открытие К+-каналов, приводит к возрастанию тока К+, который перекрывает входящий Na+-ток, и МП возвращается к исходному уровню, уровню равновесного К+-потенциала.
В результате реполяризации потенциал-зависимые К+-каналы вновь закрываются, а инактивированные Na+-каналы переходят в первоначально закрытое, но способное к активации состояние.

Рефрактерные периоды.

Важным следствием инактивации Na+-системы является возможность рефрактерности мембраны. Если мембрана деполяризуется сразу после ПД, возбуждение не возникает ни при значении потенциала, соответствующего порогу для предыдущего ПД, ни при любой более сильной деполяризации. Такое состояние полной невозбудимости, которое в нервных клетках продолжается около 1 мс называется абсолютным рефрактерным периодом. За ним следует относительный рефрактерный период, когда путем значительной деполяризации можно вызвать ПД, хотя его амплитуда снижена по сравнению с нормой. ПД нормальной амплитуды при нормальной пороговой стимуляции можно вызвать только через несколько миллисекунд после предыдущего ПД. Возвращение к нормальной ситуации соответствует окончанию относительного рефрактерного периода. Рефрактерность обусловлена инактивацией Na+-системы во время предшествующего ПД. Хотя при реполяризации мембраны состояние инактивации проходит, такое восстановление представляет собой постепенный процесс, идущий в течение нескольких миллисекунд, в течение которых Na+-система еще не способна активизироваться или же активизируется до определенного предела.
Абсолютный рефрактерный период ограничивает максимальную частоту генерации ПД. Абсолютный рефрактерный период завершается через 2 мсек после начала ПД. Клетка может возбуждаться с максимальной частотой 500/сек. Существуют клетки с еще более коротким рефрактерным периодом, в которых возбуждение может в крайних случаях повторяться с частотой 1000/сек. Однако, большинство клеток имеет максимальную частоту ПД ниже 500/сек.

Характеристика канальных молекул.

Распространение нервного импульса определяется присутствием в мембране нейрона энергетически управляемых Na+-каналов, открывание и закрывание которых ответственно за ПД. Хотя с химической точки зрения Na+-канал еще не достаточно изучен, известно, что он является белком с молекулярным весом от 25000 до 300000. Диаметр поры этого канала составляет 0,4-0,6 нм; через такую пору могут проходить ионы Na+, связанные с молекулами воды. На поверхности канала имеется много заряженных групп, размещенных в критических точках. Эти заряды обусловливают наличие большого электрического дипольного момента, который меняется по направлению и величине в соответствии с конформационными изменениями канала, сопровождающими переход из закрытого состояния в открытое.
Поскольку поверхность мембраны клетки очень тонка, трансмембранная разность потенциалов в 70 мВ создает внутри мембраны сильное электрическое поле порядка 100 кВ/см. Подобно тому, как магнитные диполи имеют тенденцию ориентироваться вдоль силовых линий магнитного поля, электрические диполи белка натриевого канала стремятся встать параллельно линиям электрического поля мембраны. Изменения напряженности электрического поля могут переводить канал из закрытого состояния в открытое. По мере того, как под влиянием входящих ионов Na+ внутренняя поверхность мембраны становится более положительной, Na+-каналы все дольше находятся в открытом состоянии. Процесс открывания Na+-каналов под влиянием изменения потенциала мембраны называют активацией Na+-каналов. Этот процесс останавливается благодаря развитию другого процесса, названного Na+-инактивацией. Трансмембранная разность потенциалов, явившаяся причиной открывания Na+-каналов, затем переводит их в особое закрытое конформационное состояние, отличное от состояния, характерного для канала в покое. Второе закрытое состояние, вызванное состоянием инактивации, развивается медленнее, чем процесс активации, они остаются короткое время открытыми. В состоянии инактивации каналы пребывают несколько миллисекунд, а затем возвращаются в нормальное состояние покоя.
Стенки Na+-канала несут отрицательный заряд, который отталкивает анионы и облегчает проход Na+. Вход в Na+-канал - селективный фильтр, проницаемый только для ионов Na+.
Внутри Na+-канала находится воротный механизм, контролируемый потенциалом - заряженный сенсор в липидной фазе мембраны. При деполяризации, заряды смещаются, что вызывает изменение молекулярной конформации сенсора, что открывает проход через канал для ионов Na+. Пора открывается только на короткое время, поскольку через 1 мс наступает инактивация натриевых каналов. Не ясно, закрывается ли пора тем же воротным механизмом, или работает особая инактивационная пробка. Аналогично работает и Na+-насос.
Электрически управляемые каналы - электрогенные насосы, есть еще химически управляемые каналы, например, синапсы.