2.2. Потенциал действия: фазы потенциала действия, механизм возникновения. Восстановительный период. Явление аккомодации возбудимой ткани.
Потенциал действия . Если участок нервного или мышечного волокна подвергнуть действию достаточно сильного раздражителя (например, толчка электрического тока), в этом участке возникает возбуждение, одним из наиболее важных проявлений которого служит быстрое колебание МП, называемое потенциалом действия (ПД)
Причиной возникновения ПД является изменение ионной проницаемости мембраны. В состоянии покоя, как уже говорилось, проницаемость мембраны для К + превышает натриевую проницаемость. Вследствие этого поток положительно заряженных ионов из протоплазмы наружу превышает противоположный поток Na + . Поэтому мембрана в покое снаружи заряжена положительно.
При действии на клетку раздражителя проницаемость мембраны для ионов Na+ резко повышается, и в конечном итоге становится примерно в 20 раз больше проницаемости для К + . Поэтому поток ионов Na + в клетку начинает значительно превышать направленный наружу поток К + . Ток Na + достигает величины +150 мв. Одновременно несколько уменьшается выход К + из клетки. Все это приводит к извращению (реверсии) МП, и наружная поверхность мембраны становится заряженной электро отрицательно по отношению к внутренней поверхности. Указанный сдвиг и регистрируется в виде восходящей ветви пика ПД (фаза деполяризации).
При внутриклеточном отведении можно обнаружить, что поверхность возбужденного участка на очень короткий интервал, измеряемый тысячными долями секунды, становится заряженным электроотрицательно по отношению к соседнему, покоящемуся участку, т.е. при возбуждении происходит т.н. "перезарядка мембраны". Точные измерения показали, что амплитуда ПД на 30-50 мв превышает величину МП. Причина этого состоит в том, что при возбуждении происходит не просто исчезновение ПП, а возникает разность потенциалов обратного знака, в результате чего наружная поверхность мембраны становится заряженной отрицательно по отношению у ее внутренней стороне.
Потенциал действия протекает фазно. Временной ход потенциала действия включает четыре последовательных этапа: локальный ответ, деполяризацию, реполяризацию и следовые потенциалы (рис. 2). В ПД принято различать его пик (т.н. спайк - spike) и следовые потенциалы. Пик ПД имеет восходящую и нисходящую фазы. Перед восходящей фазой регистрируется более или менее выраженный т.н. местный потенциал, или локальный ответ. Поскольку во время восходящей фазы исчезает исходная поляризация мембраны, ее называют фазой деполяризации; соответственно нисходящую фазу, в течение которой поляризация мембраны возвращается к исходному уровню, называется фазой реполяризации. Продолжительность пика ПД в нервных и скелетных мышечных волокнах варьирует в пределах 0,4-5,0 мсек. При этом фаза реполяризации всегда продолжительнее.
Рис. 2. Фазы и временной ход потенциала действия.
Кроме пика, в ПД различают два следовых потенциала - следовую деполяризацию (следовой отрица-тельный потенциал) и следовую гиперполяризацию (следовой положи-тельный потенциал. Амплитуда этих потенциалов не превышает нескольких милливольт, а длительность варьирует от нескольких десятков до сотен миллисекунд. Следовые потенциалы связаны с восстановительными процессами, развивающимися в мышцах и нерве после окончания возбуждения.
Промежуток времени, в течение которого сохраняется активное состояние в виде ПД, неодинаков в разных возбудимых структурах. В нейронах он составляет около 1 мс, в волокнах скелетных мышц – 10 мс, в миокарде достигает 200–250 мс.
Левое крыло графической записи ПД, отражающее изменение потенциала в электроположительную сторону называется деполяризацией. Область электроположительности носит название овершута, правое крыло ПД, свидетельствующее о восстановлении исходного поляризованного состояния мембраны принято называть реполяризацией. Часто, но не всегда возвращение ПД к исходному уровню в состоянии покоя происходит с наличием фаз в форме так называемых следовых потенциалов. Следовые потенциалы неодинаковы в мышцах и нервах. В волокнах скелетных мышц фаза реполяризации очень замедлена. Примерно через 1 мс после начала ПД наблюдается отчетливый перегиб крыла реполяризации – это следовая деполяризация. В нейроне чаще всего кривая реполяризации быстро пересекает уровень МПП и на некоторое время потенциал мембраны становится более электроотрицательным, чем МП. Это явление называют следовой гиперполяризацией.
Повышение проницаемости мембраны для ионов Na + продолжается в нервных клетках очень короткое время. Связано оно с кратковременным открытием т.н. Na + -каналов (точнее, заслонок М в этих каналах), которое затем сменяется срочным закрытием Na+-пор с помощью т.н. Н-ворот. Этот процесс называется натриевой инактивацией. В результате поток Na в клетку прекращается.
Наличие специальных Na- и К- каналов и сложного механизма запирания и открытия ворот изучено биофизиками достаточно хорошо. Показано, что существуют избирательные механизмы, регулирующие те или иные каналы. Например, яд тетродотоксин блокирует только Na-поры, а тетраэтиламмоний - только К-поры. Показано, что у некоторых клеток возникновение возбуждения связано в изменением проницаемости мембраны для Са ++ , в других - для Mg + . Исследования механизмов изменения проницаемости мембран продолжаются.
В результате Na-инактивации и одновременного увеличения К- проницаемости происходит усиленный выход положительных ионов К+ из протоплазмы во внешний раствор. В итоге этих двух процессов происходит восстановление поляризованного состояния мембраны (реполяризация) , и наружная ее поверхность вновь приобретает положительный заряд. В дальнейшем происходят процессы восстановления нормального ионного состава клетки и необходимого градиента концентрации ионов за счет активизации деятельности Na-К-насоса. В результате повышения проводимости резко возрастает поток катионов Na + , поэтому отрицательный заряд в клетке вблизи внутренней стороны поверхности мембраны также резко уменьшается вплоть до преобладания положительных зарядов. В результате происходит изменение знака потенциала, достигающего +30 мВ. После этого проводимость мембраны дляNa + также резко снижается.
Для нормального протекания ПД играет существенную роль и изменение проводимости мембраны для K + , которая начинает возрастать позже возрастания проводимости дляNa + . Увеличение относительно медленного выходаK + из клетки в фазу снижения проводимости дляNa + вызывает реполяризацию мембраны.
Таким образом, в живой клетке существуют два различных типа движения ионов через мембрану. Один из них осуществляется по градиенту концентрации ионов и не требует затраты энергии, поэтому его называют пассивным транспортом. Он ответственен за возникновение МП и ПД и ведет в конечном итоге к выравниванию концентраций ионов по обе стороны клеточной мембраны. Второй тип движения ионов через мембрану, осуществляющийся против концентрационного градиента, состоит в "выкачивании" ионов Na+ из протоплазмы и "нагнетании" ионов К+ внутрь клетки. Этот тип ионного транспорта возможет лишь при условии затраты энергии - это активный транспорт. Он является результатом работы специальных ферментных систем (т.н. насосов), и благодаря ему восстанавливается исходная разность концентраций, необходимая для поддержания МП.
Условия возникновения возбуждения . Для возникновения ПД необходимо, чтобы под влиянием какого-либо раздражителя произошло повышение ионной проницаемости мембраны возбудимой клетки. Однако, возбуждение возможно лишь при условии, если действующий на мембрану агент имеет некоторую минимальную (пороговую) величину, способную изменить мембранный потенциал (МП, или Ео) до некоторого критического уровня (Ек, критический уровень деполяризации). Стимулы, сила которых ниже пороговой величины, называются подпороговыми, выше - надпороговыми. Показано, что пороговая сила, необходимая для возникновения возбуждения при внутриклеточном микроэлектроде равна 10 -7 - 10-9 А.
Таким образом, главным условием для возникновения ПД является следующее: мембранный потенциал должен стать равным или меньше критического уровня деполяризации (Ео <= Eк)
Инактивация Na+-системы. Na+-системой обозначают механизм, позволяющий в течение нескольких долей миллисекунды многократно (до 20 раз) увеличить проводимость клеточной мембраны для Na+. Достигнув пикового значения, примерно через 0,5 мс проводимость мембраны для Na+ начинает снижаться. Быстрое снижение проводимости для Na+ называют инактивацией Na+-системы. В основе инактивации Na+-системы лежит переход в инактивационное состояние потенциалзависимых Na+-каналов. Поэтому скорость и степень снижения проводимости потенциалзависимы. Это означает, что чем больше отличается потенциал мембраны от мембранного потенциала покоя в сторону электроположительности, тем сильнее инактивирована Na+-система. Поэтому деполяризация мембраны вызывает снижение тока Na+ внутрь клетки. С одной стороны, это свидетельствует о том, что усиление тока Na+ само себе служит причиной его быстрого последующего снижения и начала развития реполяризации. С другой стороны, это означает, что если исходный потенциал клетки выше потенциала покоя на 20–30 мВ, то Na+-система полностью инактивирована и никакая последующая деполяризация уже не может активировать ее, т.е. вызвать резкое увеличение проводимости для Na+ и генерацию ПД.
Работа органов и тканей нашего организма зависит от многих факторов. Некоторые клетки (кардиомиоциты и нервы) зависят от передачи нервных импульсов, генерируемых в специальных компонентах клеток или узлах. В основе лежит образование специфической волны возбуждения, носящей название потенциала действия.
Что это такое?
Потенциалом действия принято называть волну возбуждения, передвигающуюся от клетки к клетке. За счет ее образования и прохождения через происходит кратковременное изменение их заряда (в норме внутренняя сторона мембраны заряжена отрицательно, а наружная - положительно). Образованная волна способствует изменению свойств ионных каналов клетки, что приводит к перезарядке мембраны. В тот момент, когда потенциал действия проходит через мембрану, происходит кратковременное изменение ее заряда, что приводит к изменению свойств клетки.
Образование данной волны лежит в основе функционирования а также системы путей проведения сердца.
При нарушении его образования развиваются многие заболевания, что делает определение потенциала действия необходимым в комплексе лечебно-диагностических мероприятий.
Как же образуется потенциал действия и что для него характерно?
История исследования
Изучение возникновения возбуждения в клетках и волокнах было начато довольно давно. Первыми его возникновение заметили биологи, изучавшие воздействие различных раздражителей на оголенный берцовый нерв лягушки. Ими было замечено, что при воздействии на него концентрированным раствором пищевой соли наблюдалось сокращение мышц.
В дальнейшем исследования были продолжены неврологами, однако основная наука после физики, изучающая потенциал действия - физиология. Именно физиологами было доказано наличие потенциала действия в клетках сердца и нервах.
По мере углубления в изучение потенциалов было доказано наличие и потенциала покоя.
С начала 19 века начали создаваться методы, позволяющие зафиксировать наличие данных потенциалов и измерить их величину. В настоящее время фиксация и изучение потенциалов действия проводится в двух инструментальных исследованиях - снятии электрокардиограмм и электроэнцефалограмм.
Механизм потенциала действия
Образование возбуждения происходит за счет изменения внутриклеточной концентрации ионов натрия и калия. В норме в клетке содержится больше калия, чем натрия. Внеклеточная концентрация ионов натрия значительно больше, чем в цитоплазме. Изменения, вызываемые потенциалом действия, способствуют изменению заряда на мембране, в результате чего обуславливается ток ионов натрия внутрь клетки. Из-за этого изменяются заряды снаружи и внутри заряжается положительно, а внешняя среда - отрицательно.
Это делается для облегчения прохождения волны по клетке.
После того как волна была передана через синапс, происходит обратное восстановление заряда за счет тока внутрь клетки отрицательно заряженных ионов хлора. Восстанавливаются исходные уровни заряда снаружи и внутри клетки, что приводит к образованию потенциала покоя.
Периоды покоя и возбуждения чередуются. В патологической клетке все может происходить иначе, и образование ПД там будет подчиняться несколько иным законам.
Фазы ПД
Течение потенциала действия можно разделить на несколько фаз.
Первая фаза протекает до образования (проходящим потенциалом действия стимулируется медленная разрядка мембраны, которая достигает максимального уровня, обычно он составляет около -90 мЭв). Данная фаза носит название предспайк. Осуществляется за счет входа в клетку ионов натрия.
Следующая фаза - пиковый потенциал (или спайк), образует параболу с острым углом, где восходящая часть потенциала означает деполяризацию мембраны (быстрая), а нисходящая часть - реполяризацию.
Третья фаза - отрицательный следовый потенциал - показывает следовую деполяризацию (переход от пика деполяризации до состояния покоя). Обусловлена входом ионов хлора внутрь клетки.
На четвертом этапе, фазе положительного следового потенциала, происходит возврат уровней заряда мембраны к исходному.
Данные фазы, обусловленные потенциалом действия, строго следуют одна за одной.
Функции потенциала действия
Несомненно, развитие потенциала действия имеет важное значение в функционировании тех или иных клеток. В работе сердца возбуждению принадлежит главная роль. Без него сердце было бы просто неактивным органом, но за счет распространения волны по всем клеткам сердца происходит его сокращение, что способствует проталкиванию крови по сосудистому руслу, обогащению ею всех тканей и органов.
Также не могла бы нормально выполнять свою функцию без потенциала действия. Органы не могли бы получать сигналы к выполнению той или иной функции, в результате чего были бы просто бесполезными. Кроме того, совершенствование передачи нервного импульса в нервных волокнах (появление миелина и перехватов Ранвье) позволило передавать сигнал за считаные доли секунды, что и обусловило развитие рефлексов и сознательных движений.
Кроме данных систем органов, потенциал действия образуется и во многих других клетках, однако в них он играет роль лишь в выполнении клеткой своих специфических функций.
Возникновение потенциала действия в сердце
Основным органом, работа которого основана на принципе образования потенциала действия, является сердце. За счет существования узлов образования импульсов осуществляется работа данного органа, функция которого заключается в доставке крови к тканям и органам.
Генерация потенциала действия в сердце происходит в синусовом узле. Он находится в месте впадения полых вен в правом предсердии. Оттуда импульс распространяется по волокнам проводящей системы сердца - от узла к атриовентрикулярному соединению. Проходя по точнее, по его ножкам, импульс проходит к правому и левому желудочку. В их толще расположены более мелкие пути проведения - волокна Пуркинье, по которым возбуждение доходит до каждой клетки сердца.
Потенциал действия кардиомиоцитов является составным, т.е. зависит от сокращения всех клеток сердечной ткани. При наличии блока (рубец после инфаркта) образование потенциала действия нарушается, что фиксируется на электрокардиограмме.
Нервная система
Как же образуется ПД в нейронах - клетках нервной системы. Тут все осуществляется несколько проще.
Внешний импульс воспринимается отростками нервных клеток - дендритами, связанными с рецепторами, расположенными как в коже, так и во всех других тканях (потенциал покоя и потенциал действия также сменяют друг друга). Раздражение провоцирует образование потенциала действия в них, после чего импульс через тело нервной клетки идет в ее длинный отросток - аксон, а от него через синапсы - к другим клеткам. Таким образом, образованная волна возбуждения доходит до головного мозга.
Особенностью нервной системы является наличие двух типов волокон - покрытых миелином и без него. Возникновение потенциала действия и его передача в тех волокнах, где есть миелин, осуществляется значительно быстрее, чем в демиелинезированных.
Данный феномен наблюдается из-за того, что распространение ПД по миелинизированным волокнам происходит за счет “прыжков” - импульс перескакивает участки миелина, что в результате уменьшает его путь и, соответственно, ускоряет распространение.
Потенциал покоя
Без развития потенциала покоя не было бы и потенциала действия. Под потенциалом покоя понимают нормальное, невозбужденное состояние клетки, при котором заряды внутри и вне ее мембраны значительно отличаются (то есть снаружи мембрана заряжена положительно, а внутри - отрицательно). Потенциал покоя показывает разницу между зарядами внутри и извне клетки. Обычно в норме он составляет от -50 до -110 мЭв. В нервных волокнах данная величина обычно равна -70 мЭв.
Обусловлен он миграцией ионов хлора внутрь клетки и созданием негативного заряда на внутренней стороне мембраны.
При смене концентрации внутриклеточных ионов (как было указано выше) ПП сменяет ПД.
В норме все клетки организма находятся в невозбужденном состоянии, поэтому смену потенциалов можно считать физиологически необходимым процессом, так как без них не могли бы осуществлять свою деятельность сердечно-сосудистая и нервная системы.
Значимость исследования потенциалов покоя и действия
Потенциал покоя и потенциал действия позволяют определить состояние организма, а также отдельных органов.
Фиксация потенциала действия с сердца (электрокардиография) позволяет определить его состояние, а также функциональную способность всех его отделов. Если изучать нормальную ЭКГ, то можно заметить, что все зубцы на ней есть проявление потенциала действия и последующего потенциала покоя (соответственно, возникновение данных потенциалов в предсердиях отображает зубец Р, а распространение возбуждения в желудочках - зубец R).
Что касаемо электроэнцефалограммы, то на ней возникновение различных волн и ритмов (в частности, альфа и бета-волн у здорового человека) также обусловлено возникновением потенциалов действия в нейронах головного мозга.
Данные исследования позволяют своевременно выявить развитие того или иного патологического процесса и обуславливают практически до 50 процентов успешного лечения исходного заболевания.
Потенциал действия - волна возбуждения, перемещающаяся по мембране живой клетки в процессе передачи нервного сигнала. По сути своей представляетэлектрический разряд - быстрое кратковременное изменение потенциала на небольшом участке мембраны возбудимой клетки (нейрона, мышечного волокна или железистой клетки), в результате которого наружная поверхность этого участка становится отрицательно заряженной по отношению к соседним участкам мембраны, тогда как его внутренняя поверхность становится положительно заряженной по отношению к соседним участкам мембраны. Потенциал действия является физической основой нервного или мышечного импульса, играющего сигнальную (регуляторную) роль.
Потенциал действия развивается на мембране в результате её возбуждения и сопровождается резким изменением мембранного потенциала.
В потенциале действия выделяют несколько фаз:
Фаза деполяризации;
Фаза быстрой реполяризации;
Фаза медленной реполяризации (отрицательный следовый потенциал);
Фаза гиперполяризации (положительный следовый потенциал).
Фаза деполяризации. Развитие ПД возможно только при действии раздражителей, которые вызывают деполяризацию клеточной мембраны. При деполяризации клеточной мембраны до критического уровня деполяризации (КУД) происходит лавинообразное открытие потенциал чувствительных Na+- каналов. Положительно заряженные ионы Na+ входят в клетку по градиенту концентрации (натриевый ток), в результате чего мембранный потенциал очень быстро уменьшается до 0, а затем приобретает положительное значение. Явление изменения знака мембранного потенциала называют реверсией заряда мембраны.
Фаза быстрой и медленной реполяризации. В результате деполяризации мембраны происходит открытие потенциалчувствительных К+- каналов. Положительно заряженные ионы К+ выходят из клетки по градиенту концентрации (калиевый ток), что приводит к восстановлению потенциала мембраны. В начале фазы интенсивность калиевого тока высока и реполяризация происходит быстро, к концу фазы интенсивность калиевого тока снижается и реполяризация замедляется. Усиливает реполяризацию поступление в клетку Ca2+ Фаза гиперполяризации развивается за счет остаточного калиевого тока и за счет прямого электрогенного эффекта активировавшейся Na+/K+ помпы. Поступление в клетку Cl– дополнительно гиперполяризует мембрану Изменение величины мембранного потенциала во время развития потенциала действия связано в первую очередь с изменением проницаемости мембраны для ионов натрия и калия.
Современные представления о механизме его генерации
Методом фиксации мембранного потенциала удалось измерить токи, текущие через плазмолемму аксона (аксолемму) кальмара и убедиться в том, что в покое ток катионов (К +) направлен из цитоплазмы в интерстиций, а при возбуждении доминирует ток катионов (Na +) в клетку. В состоянии «покоя» плазмолемма почти непроницаема для ионов, находящихся в межклеточном пространстве(Na + С1 - и НСОз - ,).
При возбуждении проницаемость для ионов натрия на время, равное нескольким миллисекундам, резко возрастает, а затем снова падает.
В результате катионы (ионы Na +) и анионы (С1 - , НСОз) разобщаются на плазмолемме: Na + входит в цитоплазму, а анионы нет. Поток положительных зарядов в цитоплазму не только компенсирует потенциал покоя, но и превышает его. Возникает так называемый «овершут» (или инверсия мембранного потенциала). Входящий поток натрия - результат его пассивного движения по открывшимся мембранным каналам по концентрационному и электрическому градиентам. Выходящий поток этого катиона обеспечивается калий-натриевой помпой.5. Законы раздражения: Закон силы. Закон «все или ничего»
1.Закон "все или ничего": При допороговых раздражениях клетки, ткани ответной реакции не возникает. При пороговой силе раздражителя развивается максимальная ответная реакция, поэтому увеличение силы раздражения выше пороговой не сопровождается ее усилением. В соответствии с этим законом реагирует на раздражения одиночное нервное и мышечное волокно, сердечная мышца.
2.Закон силы: Чем больше сила раздражителя, тем сильнее ответная реакция. Однако выраженность ответной реакции растет лишь до определенного максимума. Закону силы подчиняется целостная скелетная, гладкая мышца, так как они состоят из многочисленных мышечных клеток, имеющих различную возбудимость.
3.Закон силы-длительности . Между силой и длительностью действия раздражителя имеется определенная взаимосвязь. Чем сильнее раздражитель, тем меньшее время требуется для возникновения ответной реакции. Зависимость между пороговой силой и необходимой длительностью раздражения отражается кривой силы-длительности. По этой кривой можно определить ряд параметров возбудимости.
Потенциал действия (ПД)
- это кратковременные высоко амплитуды и изменения МПС, возникающих при возбуждении. Основной причиной ПД является изменение проницаемости мембраны для ионов.
Рассмотрим развитие ПД на примере нервного волокна. Регистрировать ПД можно при введении одного из электродов в волокно или располагая оба электрода на его поверхности. Проследим процесс формирования ПД при внутриклеточном методе.
1. В состоянии покоя мембрана поляризована и МПС равен 90 мВ.
2. Как только начинается возбуждение, величина этого потенциала уменьшается (это уменьшение называется деполяризацией). В ряде случаев потенциал сторон мембраны меняется на противоположный (так называемый овершут). Это первая стадия ПД - деполяризация.
3. Стадия реполяризации, при которой величина разности потенциалов падает почти до первоначального уровня. Эти две фазы в пиком ПД.
4. После пика наблюдаются следовые потенциалы - следовая деполяризация и следовая гиперполяризация (гиперполяризация - увеличение разности потенциалов между сторонами мембраны). Например, было 90 мВ, а становится 100 мВ.
Развивается ПД очень быстро - за несколько миллисекунд. Параметры ПД: 1) переменный характер, поскольку меняется направление движения тока, 2) величина, которая благодаря овершута может превышать МПС; 3) время, в течение которого развиваются ПД и отдельные его стадии - деполяризация, реполяризация, следовая гиперполяризация.
Как формируется ПД.
В состоянии покоя «ворота» потенциалзависимых Na +-каналов закрыты. Закрытые также «ворота» потенциалзависимых К +-каналов.
1. Во время фазы деполяризации происходит активизация Na +-Kaналив. При этом изменяется конформационный состояние белков, входящих в состав «ворот». Эти «ворота» открываются, и проницаемость мембраны для Na + увеличивается в несколько тысяч раз. Na + лавообразные входит в волокно нерва. В настоящее время К +-каналы открываются очень медленно. Так, в волокно поступает значительно больше Na +, чем выводится из него К +.
2. Реполяризация характеризуется закрытием Na +-каналов. «Ворота» на внутренней поверхности мембраны закрываются - наблюдается инактивация каналов под воздействием электрических потенциалов. Инактивация происходит медленнее, чем активация. В настоящее время ускоряется активация К +-каналов и растет диффузия К + наружу.
Таким образом, деполяризация связана преимущественно со входом Na + в волокно, а реполяризация - с выходом из него К +. Соотношение между входом Na + и выходом К + изменяется в процессе раз «витке ПД: в начале ПД входит Na + в несколько тысяч раз больше, чем получается К +, а затем выходит более К +, чем входит Na +.
Причиной следовых потенциалов дальнейшие изменения соотношения между этими двумя процессами. Во время следовой гиперполяризации много К +-каналов еще остаются открытыми и К + продолжает выходить наружу.
Восстановление ионных градиентов после ПД.
Одиночные ПД изменяют разность концентраций ионов в нервном волокне и за его пределами очень мало. Но в тех случаях, когда проходит значительное количество импульсов, эта разница может быть весьма существенной.
Восстановление ионных градиентов происходит тогда за счет усиления работы Na + / K +-HacociB - в большей степени нарушается этот градиент, тем интенсивнее работают насосы. При этом используется энергия АТФ. Часть ее выделяется в виде тепла, поэтому в этих случаях наблюдается кратковременное повышение температуры волокна.
Условия необходимые для возникновения ПД.
ПД возникает лишь при определенных условиях. Раздражители, действующие на волокну, могут быть разными. Чаще используется постоянный электрический ток. Он легко дозируется, мало травмирует ткань и ближайший тех раздражителей, которые существуют в живых организмах.
При каких условиях постоянный ток может зумовитК появление ПД? Ток должен быть достаточно сильным, действовать определенное время, его нарастание должно быть быстрым. Наконец, имеет значение и направление тока (действие анода или катода).
В зависимости от силы различают подпороговый (недостаточный для возникновения возбуждения), пороговый (достаточный) и надпороговый (чрезмерный) ток.
Несмотря на то что подпороговый ток не вызывает возбуждение, он все же деполяризует мембрану, и эта деполяризация тем больше, чем выше его напряжение.
Деполяризация, развивающийся при этом, называется локальным ответом и является видом местного возбуждения. Оно характеризуется тем, что не распространяется, величина его зависит от силы раздражения (закрном силовых отношений: чем больше сила раздражения, тем активнее ответ). При локальной ответа возбудимость ткани повышается. Возбудимость - это способность отвечать на раздражение и переходить в состояние возбуждения.
Если сила раздражителя достаточное (пороговая), то деполяризация достигает определенной величины, называется критическим уровнем деполяризации (Ек). Для нервного волокна, покрытого миелином, Ек составляет около 65 мВ. Таким образом, разница между МПС (Е0), равный в данном случае 90 мВ, и Ек составляет 25 мВ. Эта величина (ДЕ = Е0-Ек) очень важна для характеристики возбудимости ткани.
Когда Е0 увеличивается при деполяризации, возбудимость выше и, наоборот, снижение Е0 при гиперполяризации приводит к ее уменьшению. ГДЕ может зависеть не только от величины Е0, но и от критического уровня деполяризации (Ек).
При пороговой силе раздражителя возникает ПД. Это уже не местное возбуждение, оно способно распространяться на дальние расстояния, подлежит закону «все или ничего» (при увеличении силы раздражителя амплитуда ПД не растет). Возбудимость при развитии ПД отсутствует или значительно снижена.
ПД является одним из показателей возбуждения - активного физиологического процесса, которым живые клетки (нервные, мышечные, железистые) отвечают на раздражение. Во время возбуждения меняются метаболизм, температура клеток, нарушается ионная равновесие между цитоплазмой и внешней средой, происходит ряд других процессов.
Кроме силы постоянного тока, возникновения ПД зависит также от длительности его действия. Существует обратная пропорциональная зависимость между силой тока и длительностью его действия. Подпороговый ток даже при очень длительном воздействии не приведет возбуждения. Надпороговый ток при слишком короткой действия также не приведет к возбуждению.
Для возникновения возбуждения требуется также определенная скорость (крутизна) нарастание силы тока.
Если повышать силу тока очень медленно, то при этом будет меняться Ек и Е0 может не достичь его уровня.
Имеет значение и направление тока: ПД возникает при замыкании тока только тогда, когда катод помещается на внешней поверхности мембраны, а анод - в клетке или волокне. При прохождении тока изменяется МП. Если на поверхности лежит катод, то развивается деполяризация (возбудимость повышается), а если анод - гиперполяризация (возбудимость снижается). Знание механизмов действия электрического тока на живые объекты крайне необходимо для разработки и применения в клинике методов физиотерапии (диатермия, УВЧ, гипергидроз и др.)..
Изменение возбудимости при ПД. При локальной ответа возбудимость повышается (ДЭ уменьшается). Изменения возбудимости во время самого ПД можно заметить, если раздражать повторно в разные стадии развития ПД. Оказывается, что во время пика даже очень сильное повторное раздражение остается без ответа (период абсолютной рефрактерности). Затем возбудимость постепенно нормализуется, но она все же ниже, чем начальная (период относительной рефрактерности).
При выраженной следовой деполяризации возбудимость выше, чем первоначальная, а при положительной следового потенциала возбудимость снова снижается. Абсолютная рефрактерность объясняется инактивизациею Na + каналов и повышением проводимости К + - каналов. При относительной рефрактерности вновь активизируются Na + - каналы и снижается правиднисть К + - каналов.
Двухфазный характер ПД. Обычно в условиях, когда микроэлектрод содержится внутри клетки или волокна, наблюдается однофазный ПД. Иная картина бывает в тех случаях, когда оба электрода лежат на внешней поверхности мембраны - биполярная регистрация. Возбуждение, которое представляет собой волну электроотрицательности, перемещаясь по мембране, доходит сначала до одного электрода, затем помещается между электродами, наконец достигает второго электрода, а затем распространяется дальше. В этих условиях ПД имеет двухфазный характер. Регистрация ПД широко используется в клинике для диагностики
Потенциалом действия (ПД) называют быстрое колебание мембранного потенциала, возникающее при возбуждении нервных, мышечных и некоторых других клеток. В его основе лежат изменения ионной проницаемости мембраны. Амплитуда ПД мало зависит от силы вызывающего его раздражителя, важно лишь, чтобы эта сила была не меньше некоторой критической величины, которая называется порогом раздражения. Возникнув в месте раздражения, ПД распространяется вдоль нервного или мышечного волокна, не изменяя своей амплитуды.
В естественных условиях ПД генерируются в нервных волокнах при раздражении рецепторов или возбуждении нервных клеток. Распространение ПД по нервным волокнам обеспечивает передачу информации в нервной системе. Достигнув нервных окончаний, ПД вызывают секрецию химических веществ (медиаторов), обеспечивающих передачу сигнала на мышечные или нервные клетки. В мышечных клетках ПД инициируют цепь процессов, вызывающих сократительный акт. Ионы, проникающие в цитоплазму во время генерации ПД, оказывают регулирующее влияние на метаболизм клетки и, в частности, на процессы синтеза белков, составляющих ионные каналы и ионные насосы.
Рис. 3. Потенциал действия скелетного мышечного волокна, зарегистрированный с помощью внутриклеточного микроэлектрода: а – фаза деполяризации, б – фаза реполяризации, в – фаза следовой деполяризации (отрицательный следовой потенциал). Момент нанесения раздражения показан стрелкой.
Установлено, что во время восходящей фазы (фазы 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. Если рассмотреть пример записи ПД в скелетном мышечном волокне лягушки (см. рис. 3), то видно, что в момент достижения пика мембранный потенциал составляет +30 – +40 мВ. Длительность пика ПД у различных нервных и мышечных волокон варьирует от 0,5 до 3 мс, причем фаза реполяризации продолжительнее фазы деполяризации.
Изменения мембранного потенциала, следующие за пиком потенциала действия, называют следовыми потенциалами. Различают два вида следовых потенциалов – следовую деполяризацию и следовую гиперполяризацию.
Ионный механизм возникновения ПД. 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 поток Na + . 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 становится примерно в 20 раз больше проницаемости для K + . Поэтому поток Na + из внешнего раствора в цитоплазму начинает превышать направленный наружу калиевый ток. Это приводит к изменению знака (реверсии) мембранного потенциала: внутренняя сторона мембраны в месте возбуждения становится заряженной положительно по отношению к ее наружной поверхности. Указанное изменение мембранного потенциала соответствует восходящей фазе ПД (фазе деполяризации).
Повышение проницаемости мембраны для Na + продолжается лишь очень короткое время. Вслед за этим проницаемость мембраны для Na + вновь понижается, а для K + возрастает. Процесс, ведущий к понижению ранее увеличенной натриевой проницаемости мембраны, назван натриевой инактивацией. В результате инактивации поток Na + внутрь цитоплазмы резко ослабляется. Увеличение же калиевой проницаемости вызывает усиление потока K + из цитоплазмы во внешний раствор. В итоге этих двух процессов и происходит реполяризация мембраны: внутреннее содержимое клетки вновь приобретает отрицательный заряд по отношению к наружной стороне мембраны. Этому изменению потенциала соответствует нисходящая фаза ПД (фаза реполяризации). Опыты на гигантских нервных волокнах кальмара позволили получить подтверждение правильности натриевой теории возникновения ПД.
ПД возникает при деполяризации поверхностной мембраны. Небольшие величины деполяризации приводят к открыванию части натриевых каналов и незначительному проникновению ионов Na внутрь клетки. Эти реакции являются подпороговыми и вызывают лишь местные изменения на мембране (локальный ответ). При увеличении силы раздражения, когда достигнут порог возбудимости, изменения мембранного потенциала достигают критического уровня деполяризации (КУД). Например, величина потенциала покоя равна -70 мВ, КУД = -50 мВ. Чтобы вызвать возбуждение, надо деполяризовать мембрану до -50 мВ, т.е. на -20 мВ снизить ее исходный потенциал покоя. Только при достижении КУД наблюдается резкое изменение мембранного потенциала, которое регистрируется в виде ПД. Таким образом, основное условие возникновения потенциала действия – это снижение мембранного потенциала до критического уровня деполяризации.
В основе рассмотренных изменений ионной проницаемости мембраны при генерации ПД лежат процессы открывания и закрывания специализированных ионных каналов в мембране, обладающих двумя важнейшими свойствами:
■ избирательностью (селективностью) по отношению к определенным ионам;
■ электровозбудимостью, т.е. способностью открываться и закрываться в ответ на изменения мембранного потенциала.
Так же как ионные насосы, ионные каналы образованы макромолекулами белков, пронизывающими липидный бислой мембраны.
Активный и пассивный ионный транспорт. В процессе восстановления после ПД работа калий-натриевого насоса обеспечивает «откачку» излишних ионов натрия наружу и «накачивание» потерянных ионов калия внутрь, благодаря чему нарушенное при возбуждении неравенство концентраций Na + и K + по обе стороны мембраны восстанавливается. На работу этого механизма тратится около 70 % необходимой клетке энергии.
Таким образом, в живой клетке существует две системы движения ионов через мембрану.
Один из них осуществляется по градиенту концентрации ионов и не требует затраты энергии (пассивный ионный транспорт) . Он ответствен за возникновение потенциала покоя и ПД и ведет в конечном итоге к выравниванию концентрации ионов по обе стороны клеточной мембраны.
Второй осуществляется против концентрационного градиента. Он состоит в «выкачивании» ионов натрия из цитоплазмы и «нагнетании» ионов калия внутрь клетки. Этот тип ионного транспорта возможен лишь при условии затраты энергии обмена веществ. Его называют активным ионным транспортом. Он ответствен за поддержание постоянства разности концентраций ионов между цитоплазмой и омывающей клетку жидкостью. Активный транспорт - результат работы натриевого насоса, благодаря которому восстанавливается исходная разность ионных концентраций, нарушающаяся при каждой вспышке возбуждения.
Проведение возбуждения
Нервный импульс (потенциал действия) обладает способностью распространяться вдоль по нервным и мышечным волокнам.
В нервном волокне потенциал действия является очень сильным раздражителем для соседних участков волокна. Амплитуда потенциала действия обычно в 5 – 6 раз превышает пороговую величину деполяризации. Это обеспечивает высокую скорость и надежность проведения.
Между зоной возбуждения (имеющей на поверхности волокна отрицательный заряд и на внутренней стороне мембраны – положительный) и соседним невозбужденным участком мембраны нервного волокна (с обратным соотношением зарядов) возникают электрические токи – так называемые местные токи. В результате развивается деполяризация соседнего участка, увеличение его ионной проницаемости и появление потенциала действия. В исходной же зоне возбуждения восстанавливается потенциал покоя. Затем возбуждением охватывается следующий участок мембраны и т.д. Таким образом, с помощью местных токов происходит распространение возбуждения на соседние участки нервного волокна, т.е. проведение нервного импульса. По мере проведения амплитуда потенциала действия не уменьшается, т.е. возбуждение не затухает даже при большой длине нерва.
В процессе эволюции с переходом от безмякотных нервных волокон к мякотным (покрытым миелиновой оболочкой) произошло существенное повышение скорости проведения нервного импульса. Для безмякотных волокон характерно непрерывное проведение возбуждения, которое охватывает последовательно каждый соседний участок нерва. Мякотные же нервы почти полностью покрыты изолирующей миелиновой оболочкой. Ионные токи в них могут проходить только в оголенных участках мембраны -перехватах Ранвье, лишенных этой оболочки. При проведении нервного импульса потенциал действия перескакивает от одного перехвата к другому и может охватывать даже несколько перехватов. Такое проведение поучило название сальтоторного (лат. сальто – прыжок). При этом повышается не только скорость, но и экономичность проведения. Возбуждение захватывает не всю поверхность мембраны волокна, а лишь небольшую ее часть. Следовательно, меньше энергии тратится на активный транспорт ионов через мембрану при возбуждении и в процессе восстановления.
Скорость проведения в разных волокнах различна. Более толстые нервные волокна проводят возбуждение с большей скоростью: у них расстояния между перехватами Ранвье больше и длиннее скачки. Наибольшую скорость проведения имеют двигательные и проприоцептивные афферентные нервные волокна - до 100 м/с. В тонких симпатических нерв ных волокнах (особенно в немиелинизированных волокнах) скорость проведения мала - порядка 0,5 - 15 м/с.
Во время развития потенциала действия мембрана полностью теряет возбудимость. Это состояние называют полной невозбудимостью, или абсолютной рефрактерностью. За ним следует относительная рефрактерность, когда потенциал действия может возникать лишь при очень сильном раздражении. Постепенно возбудимость восстанавливается до исходного уровня.
Законы проведения возбуждения в нервах:
1. Проведение импульсов возможно лишь при условии анатомической и физиологической целостности волокна.
2. Двустороннее проведение: при раздражении нервного волокна возбуждение распространяется по нему и в центробежном, и в центростремительном направлениях.
3. Изолированное проведение: в периферическом нерве импульсы распространяются по каждому волокну изолированно, т.е. не переходя с одного волокна на другое и оказывая действие только на те клетки, с которыми контактируют окончания данного нервного волокна.
13. Дайте определение гомеостаза.
14. Назовите основные пути регуляции различных функций у высокоорганизованных животных и человека.
15. Кем и когда было открыто «животное электричество»?
16. Какие ткани относятся к возбудимым? Почему они так называются?
17. Назовите основные функциональные характеристики возбудимых тканей.
18. Что называют порогом возбудимости?
19. От каких факторов зависит величина порога?
20. Что такое лабильность? Кем было выдвинуто понятие лабильности, какие свойства возбудимых тканей оно характеризует?
21. Что называют мембранным потенциалом (потенциалом покоя)?
22. Чем обусловлено наличие электрических потенциалов в живых клетках?
23. В каких случаях говорят о деполяризации (или гиперполяризации) клеточной мембраны?
24. Какую роль в формировании потенциала покоя играет калий-натриевый насос мембраны?
25. Что называют потенциалом действия? Какова его роль в нервной системе?
26. Что лежит в основе возникновения потенциала действия?
27. Охарактеризуйте фазы потенциала действия.
28. Что называют реверсией мембранного потенциала?
29. Опишите ионный механизм возникновения потенциала действия.
30. Что понимают под натриевой инактивацией?
31. Что такое критический уровень деполяризации?
32. Какими свойствами обладают ионные каналы клеточной мембраны?
33. Охарактеризуйте два типа ионного транспорта в клетке:
■ пассивный;
■ активный.
Модуль 1 ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ ЦНС
