Механизм возникновения потенциала действия

Потенциал действия. Потенциалом действия называют быстрое изменение мембранного потенциала, возникающее при возбуждении нервных, мышечных и некоторых железистых клеток. В основе его возникновения лежат изменения ионной проницаемости мембраны. В развитии потенциала действия выделят четыре последовательных периода: локальный ответ, деполяризацию, реполяризацию и следовые потенциалы (рис. 2.11.).

Рис. 2.11. Потенциал действия. 1 - локальный ответ, 2 - фаза деполяризации, 3 - фаза реполяризации, 4 - отрицательный следовой потенциал, 5 -положительный (гиперполяризационный ) следовой потенциал.

Первый период – локальный ответ представляет собой активную местную деполяризацию, возникающую вследствие увеличения натриевой проницаемости клеточной мембраны. Уменьшение мембранного потенциала называется деполяризацией. Однако при подпороговом стимуле начальное повышение натриевой проницаемости недостаточно велико, чтобы вызвать быструю деполяризацию мембраны. Локальный ответ возникает не только при подпороговом, но и при надпороговом раздражении и является составным компонентом потенциала действия. Таким образом, локальный ответ является первоначальной и универсальной формой реагирования ткани на различные по силе раздражения. Биологический смысл локального ответа состоит в том, что если раздражитель по силе мал, то ткань реагирует на него с минимальной тратой энергии, не включая механизмы специфической деятельности. В том же случае, когда раздражение надпороговое, локальный ответ переходит в потенциал действия. Период от начала раздражения до начала фазы деполяризации, когда локальный ответ, нарастая, снижает мембранный потенциал до критического уровня (КУД), называется латентным или скрытым периодом. Продолжительность латентного периода зависит от силы раздражения (рис. 2.12.).

Рис. 2.12. Потенциалы действия, возникающие в ответ на пороговое раздражение коротким - А и длительным - Б стимулами. Внизу показаны раздражающие стимулы, при воздействии которых получены ответы А и Б. ПП - потенциал покоя, Екуд - критический уровень деполяризации мембраны (по А.Л. Каталымову).

Второй период – фаза деполяризации. Эта часть потенциала действия характеризуется быстрым уменьшением мембранного потенциала и даже перезарядкой мембраны: внутренняя её часть на некоторое время становится заряженной положительно, а внешняя отрицательно. Изменение знака заряда на мембране называют извращением – реверсией потенциала. В отличие от локального ответа скорость и величина деполяризации не зависят от силы раздражителя. Продолжительность фазы деполяризации в нервном волокне лягушки составляет около 0,2-0,5 мс.

Третий период потенциала действия – фаза реполяризации, её продолжительность составляет 0,5-0,8 мс. Восстановление исходной величины поляризации мембраны называют реполяризацией. В течение этого времени мембранный потенциал постепенно восстанавливается и достигает 75-85% потенциала покоя. В литературе второй и третий периоды часто называют пиком потенциала действия.

Колебания мембранного потенциала, следующие за пиком потенциала действия, называют следовыми потенциалами. Различают два вида следовых потенциалов – следовую деполяризацию и следовую гиперполяризацию, которые соответствуют четвёртой и пятой фазе потенциала действия. Следовая деполяризация (отрицательный следовой потенциал) является продолжением фазы реполяризации и характеризуется более медленным (по сравнению с фазой реполяризации) восстановлением потенциала покоя. Следовая деполяризация переходит в следовую гиперполяризацию (положительный следовой потенциал), представляющую собой временное увеличение мембранного потенциала выше исходного уровня. Увеличение мембранного потенциала называется гиперполяризацией. В миелине-зированных 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.

Ионный механизм возникновения потенциала действия. В основе потенциала действия лежат последовательно развивающиеся во времени изменения ионной проницаемости клеточной мембраны. При действии на клетку раздражителя проницаемость мембраны для ионов Na⁺ резко повышается за счёт активации (открывания) натриевых каналов.

При этом ионы Na⁺ по концентрационному градиенту интенсивно перемещаются из вне во внутриклеточное пространство. Вхождению ионов Na⁺ в клетку способствует и электростатическое взаимодействие. В итоге проницаемость мембраны для Na⁺ становится в 20 раз больше проницаемости для ионов K⁺.

Сначала деполяризация идёт сравнительно медленно. Когда мембранный потенциал уменьшается на 10-40 мВ, скорость деполяризации резко увеличивается и соответственно кривая потенциала действия круто поднимается верх. Уровень мембранного потенциала, при котором резко увеличивается скорость деполяризации мембраны, благодаря тому что поток ионов Na⁺ внутрь клетки оказывается большим, чем поток ионов K⁺ наружу, называют критическим уровнем деполяризации.

Поскольку поток Na⁺ в клетку начинает превышать калиевый ток из клетки, то происходит постепенное снижение потенциала покоя, приводящее к реверсии – изменению знака мембранного потенциала. При этом внутренняя поверхность мембраны становится электроположительной по отношению к её внешней электроотрицательной поверхности. Указанные изменения мембранного потенциала соответствуют восходящей фазе потенциала действия (фазе деполяризации).

Мембрана характеризуется повышенной проницаемостью для ионов Na⁺ лишь очень короткое время 0,2-0,5 мс. После этого проницаемость мембраны для ионов Na⁺ вновь понижается, а для K⁺ возрастает. В результате поток Na⁺ внутрь клетки резко ослабляется, а ток K⁺ из клетки усиливается.

В течение потенциала действия в клетку поступает значительное количество Na⁺, а ионы K⁺ покидают клетку. Восстановление клеточного ионного баланса осуществляется благодаря работе натрий – калиевого насоса, активность которого возрастает при повышении внутренней концентрации ионов Na⁺ и увеличении внешней концентрации ионов K⁺. Благодаря работе ионного насоса и изменению проницаемости мембраны для Na⁺ и K⁺ их концентрация во внутри- и внеклеточном пространстве постепенно восстанавливается.

Итогом этих процессов и является реполяризация мембраны: внутреннее содержимое клетки вновь приобретает отрицательный заряд по отношению к внешней поверхности мембраны.

Следовой отрицательный потенциал регистрируется в период, когда Na⁺ каналы инактивированы и реполяризация, связанная с выходом ионов K⁺ из клетки, происходит медленнее, чем во время нисходящей части пика потенциала действия. Это длительное сохранение отрицательности наружной поверхности возбуждённого участка по отношению к невозбуждённому называют следовой деполяризацией. Следовая деполяризация означает, что в этот период наружная поверхность возбудимого образования имеет меньший положительный заряд, чем в состоянии покоя.

Следовой положительный потенциал соответствует периоду увеличения мембранного потенциала покоя, т.е. гиперполяризации мембраны. Во время следового положительного потенциала наружная поверхность клетки более положительно заряжена, чем в состоянии покоя. Следовой положительный потенциал называют часто следовой гиперполяризацией. Она объясняется длительным сохранением повышенной проницаемости для ионов K⁺. Вследствие этого на мембране устанавливается потенциал, равный потенциалу равновесия (для K⁺ – 90 мВ).

Изменения возбудимости в процессе развития возбуждения. Воздействуя раздражителями разной силы в различные фазы потенциала действия, можно проследить, как изменяется возбудимость в ходе возбуждения. На рис. 2.13. видно, что период локального ответа характеризуется повышенной возбудимостью (мембранный потенциал приближается к критическому уровню деполяризации); во время фазы деполяризации мембрана утрачивает возбудимость (клетка становится рефрактерной), которая постепенно восстанавливается в ходе реполяризации.

Выделяют период абсолютной рефрактерности, который в нервных клетках продолжается около 1 мс и характеризуется их полной невозбудимостью. Период абсолютной рефрактерности возникает в результате практически полной инактивации (непроницаемости) натриевых каналов и повышения калиевой проводимости мембраны. Даже в состоянии покоя активированы не все каналы мембраны, 40% из них находятся в состоянии инактивации. При деполяризации количество инактивированных каналов увеличивается и вершина пика потенциала действия соответствует инактивации всех натриевых каналов.

По мере реполяризации мембраны происходит реактивация натриевых каналов. Этот период относительной рефрактерности: потенциал действия может возникнуть только при действии более сильных (надпороговых) раздражителей.

Рис. 2.13. Волна возбуждения. А — компоненты волны возбуждения: 1 — деполяризация; 2 — реполяризация; МК — критический уровень деполяризации: а — длительность порогового потенциала; б — длительность потенциала действия; в — следовая отрицательность; г — следовая поло­жительность; Б — изменения возбудимости в разные фазы волны возбуждения; УВ — уровень возбудимости в покое: а — повышение возбудимости в период порогового потенциала; б — падение возбудимости до нуля во время протекания потенциала действия (абсолютная рефрактерность); в₁, — возвращение возбудимости к исходному уровню во время следовой отрицательности (относительная рефрактерность); в₂ — повышение возбудимости в период конца следовой отрицательности (экзальтация или супернормальность); в — весь период следовой отрицательности; г — падение возбудимости в период гиперполяризации (субнормальность).

В период отрицательного следового потенциала фаза относительной рефрактерности сменяется фазой повышенной (супернормальной) возбудимости. В этот период порог раздражения снижен по сравнению с исходным значением, поскольку мембранный потенциал ближе к критической величине, чем в состоянии покоя (рис. 2.14.).

Фаза следовой гиперполяризации, обусловленная остаточным выходом калия из клетки, напротив, характеризуется снижением возбудимости. Поскольку мембранный потенциал больше, чем в состоянии покоя, и требуется более сильный раздражитель для его «смещения» до уровня критической деполяризации.

Таким образом, в динамике возбудительного процесса изменяется способность клетки реагировать на раздражители, т.е. возбудимость. Это имеет большое значение, поскольку в момент наибольшего возбуждения (пика потенциала действия) клетка становится абсолютно невозбудимой, что защищает её от гибели и повреждений.

Рис. 2.14. Величина мембранного и порогового потенциалов в разные фазы развития возбуждения. Величина мембранного потенциала: Е₀ — в покое; Е₁ — в фазе экзальтации; Е₂— в фазе гиперполяризации. Величина порогового потенциала: «е_о - в покое; е₁, — в фазе экзальтации: е₂ — в фазе гиперполнризации.