11094 (Іонні механізми потенціалу дії. Методи фіксації)

Всі процеси життєдіяльності організмів супроводжуються появою в клітинах і тканинах електрорушійних сил. Електричні явища відіграють велику роль у найважливіших фізіологічних процесах: збудженні клітин і проведенні збудження по клітинам.

Завдяки безпосередньому зв'язку біопотенціалів з метаболічними процесами й фізіологічним станом клітин вони є чутливими й точно вимірними показниками різних змін у клітинах у нормі й при патології. Для більш ефективного й плідного використання електрофізичних методів у медицині необхідне з'ясування механізмів виникнення біоелектричних потенціалів.

Всі клітини збудливих тканин при дії різних подразників достатньої сили здатні переходити в стан збудження. Обов'язковою ознакою збудження є зміна електричного стану клітинної мембрани. Досвід показує, що збуджена ділянка клітини стає електронегативною стосовно не збудженої, що показує на перерозподіл іонів у збудженій ділянці. При збудженні він має тимчасовий характер, і після закінчення збудження знову відновлюється вихідний потенціал спокою. Загальна зміна різниці потенціалів між клітиною й середовищем, що відбувається при граничному й надпороговому збудженні клітин, називається потенціалом дії. Потенціали дії забезпечують проведення збудження по нервових волокнах й ініціюють процеси скорочення м'язових і секреції залізистих клітин.

Фаза швидкої деполяризації

Виникнення потенціалу дії (ПД) пов'язане зі збільшенням проникності мембрани для іонів натрію (в 20 разів у порівнянні із проникністю для К⁺, і в 500 разів у порівнянні з вихідною проникністю Na⁺) і наступним посиленням дифузії цих іонів по концентраційному градієнті усередину клітини, що приводить до зміни (зменшенню) мембранного потенціалу. Зменшення мембранного потенціалу приводить до збільшення проникності мембрани для натрію, а збільшення проникності супроводжується посиленням дифузії натрію в цитоплазму, що викликає ще більш значну деполяризацію мембрани. Завдяки наявності позитивного зворотного зв'язку деполяризація мембрани при збудженні відбувається із прискоренням і потік іонів натрію в клітину увесь час зростає. Інтенсивність же потоку іонів калію, спрямованого із клітини назовні, у перші моменти збудження залишається як і на початку. Посилений потік позитивно заряджених іонів натрію усередину клітини викликає спочатку зникнення надлишкового негативного заряду на внутрішній поверхні мембрани, а потім приводить до перезарядження мембрани.

Надходження іонів натрію відбувається доти, поки внутрішня поверхня мембрани не придбає позитивний заряд, достатній для зрівноважування градієнта концентрації натрію й припинення його подальшого переходу усередину клітини.

Натрієвий механізм виникнення ПД підтверджують досвіди зі зміною зовнішньою й внутрішньою концентрацією цих іонів. Було показано, що десятикратній зміні концентрації іонів натрію в зовнішнім або внутрішнім середовищі клітини відповідає зміна ПД на 58 мВ. При повному видаленні іонів натрію з оточуючої клітину рідини ПД не виникали.

Таким чином, установлено, що ПД виникають у результаті надлишкової в порівнянні зі спокоєм дифузії іонів натрію з оточуючої рідини усередину клітини.

Період, протягом якого проникність мембрани для іонів натрію при порушенні клітини зростає, є невеликим (0,5-1 мс); слідом за цим спостерігається підвищення проникності мембрани для іонів калію й, отже, посилення дифузії цих іонів із клітини назовні.

Фаза реполяризації

Збільшення іонного потоку калію, спрямованого із клітини назовні, призводить до зменшення мембранного потенціалу, що у свою чергу обумовлює зменшення проникності мембрани для іонів натрію, що, як указувалося, є функцією мембранного потенціалу.

Таким чином, другий етап порушення характеризується тим, що потік іонів калію із клітини назовні зростає, а зустрічний потік іонів натрію зменшується. Це триває, поки не відбудеться відновлення потенціалу спокою - реполяризація мембрани. Після цього проникність для іонів калію також падає до вихідної величини. Зовнішня поверхня мембрани за рахунок позитивно заряджених іонів калію, що вийшли в середовище, знову здобуває позитивний потенціал стосовно внутрішнього.

Фаза слідових потенціалів

У кінцевій фазі порушення відбувається уповільнення відновлення мембранного потенціалу спокою, і при цьому реєструються слідові реакції у вигляді слідової деполяризації й гіперполяризації, обумовлені повільним відновленням вихідної проникності для іонів К⁺.

Таким чином, формування ПД обумовлене двома іонними потоками через мембрану: потік іонів натрію усередину клітини призводить до перезарядження мембрани, а протилежно спрямований потік іонів калію спричиняється відновлення вихідного потенціалу спокою. Потоки приблизно рівні по величині, але зрушені за часом. Завдяки цьому зрушенню в часі й можлива поява потенціалу дії. Якби потоки натрію й калію через мембрану збігалися в часі, то вони б компенсували один одного, і ніякої зміни мембранного потенціалу не могло б відбуватися.

Узагальнимо вищесказане. Потенціал дії є результатом швидкого й значного збільшення натрієвої провідності мембрани. Вхід великої кількості іонів натрію й акумуляція позитивного заряду на внутрішній поверхні мембрани клітини збуджує мембранний потенціал у напрямку ENa. Реполяризація мембрани відбувається в результаті наступного збільшення калієвої провідності й зменшення внутрішньоклітинного позитивного заряду через вихід іонів калію із клітини. Мембранний потенціал при цьому знову наближається до ЕК.

Яка кількість іонів входить у клітину й виходить з неї під час потенціалу дії

Головною властивістю натрієвої й калієвої провідністю, що визначає характер струмів під час потенціалу дії, є їх потенціал-залежність: імовірність відкриття іонних каналів збільшується з деполяризацією мембранного потенціалу. Деполяризація збільшує натрієву провідність, а також, з деякою затримкою, калієву. Вплив деполяризації на натрієву провідність носить регенеративний характер: спочатку невелика деполяризація збільшує кількість відкритих каналів; іони натрію, що входять у клітину по напрямку свого електрохімічного градієнта, роблять подальшу деполяризацію мембрани, відкриття більшої кількості каналів, що спричиняє вхід ще більшого числа іонів, і так далі. Такий процес, який самопідсилюється, характеризується позитивним зворотним зв'язком. Потенціал-залежність калієвих каналів, навпаки, характеризується наявністю негативного зворотного зв'язку. При деполяризації кількість відкритих калієвих каналів зростає, і іони калію входять у клітину в напрямку електрохімічного градієнта. Однак, вхід калію не підсилює деполяризацію, а веде до реполяризації й повернення калієвої провідності в стан спокою.

Якщо врахувати, що на фазі росту потенціалу дії в клітину входить велика кількість натрію й велика кількість калію виходить із неї на фазі спаду, то стає очевидним, що концентрації цих іонів у цитоплазмі повинні змінитися. Величину цих змін можна визначити або експериментально, або шляхом розрахунків.

При потенціалі - 67 мВ на внутрішній поверхні мембрани перебуває приблизно 4 • 10¹¹ негативних зарядів на см². На піку потенціалу дії (+40 мВ) замість цього негативного заряду усередині клітини накопичується близько 2,4 • 10¹¹ позитивних зарядів, що відбувається в результаті входу в клітину 6,4 • 10¹¹ іонів натрію на см². Це відповідає приблизно 10^-12 моль/см². Експериментальні виміри входу радіоактивного натрію й виходу радіоактивного калію дали значення між 3 • 10^-12 й 4 • 10^-12 моль/см². Розходження між теоретично передказаним й експериментальним значеннями порозуміваються головним чином тим, що при розрахунках не приймалося в увагу те, що вхід натрію й вихід калію частково перекриваються в часі. Таким чином, кількість вхідного натрію перевищує значення, необхідне для деполяризації мембрани до пікового рівня потенціалу дії, оскільки вихід калію починається до моменту досягнення піка.

Вплив входу натрію на його внутрішньоклітинну концентрацію

Сегмент аксона кальмара довжиною 1 см і діаметром 1 мм має площу поверхні близько 0,31 см², тому при швидкості входу натрію 3,5 • 10^-12 приведе до нагромадження приблизно 10^-12 M натрію. Обсяг цього відрізка аксона становить 7,85 • 10^-12 л, у ньому втримується (при щільності 50 ммоль/л) 4 • 10^-7 M натрію, тому зміна концентрації натрію в результаті потенціалу дії дуже мало й становить 0,0000025. Вихід калію робить порівнянний ефект і змінює внутрішньоклітинну концентрацію калію в 0,000003 разів.

Потенціал дії в більш тонких відростках нейрона може привести до більш значних змін внутрішньоклітинних концентрацій натрію й калію, чим у гігантському аксоні кальмара. Так, нервове закінчення діаметром 1 мкм і довжиною 100 мкм має площу поверхні 3 • 10^-6 см² й обсяг 8 • 10^-14 л. Під час потенціалу дії вхід натрію 3 • 10^-6 моль/см² робить збільшення кількості натрію усередині термінали на 10^-17 М. При внутрішньоклітинній концентрації 20 мм у термінали втримується приблизно 1,5 • 10^-15 М, так що збільшення концентрації натрію в результаті одного потенціалу дії становить 0,7 %. Пачка з 50 імпульсів теоретично приведе до збільшення рівня натрію на 35 % і подібному зниженню рівня калію. Вхід натрію збільшує активність натрій-калієвого обмінника так, що концентрації швидко повертаються до початкового рівня.

Кальцієві потенціали дії

Слід зазначити, що натрієво-калієвий механізм генерування потенціалу дії не є єдиним. У генерації потенціалу дії можуть брати участь й інші катіонні канали. У клітинах водоростей Хаара реверсія мембранного потенціалу обумовлена дифузією в клітину іонів хлору. У деяких клітинах фаза росту потенціалу дії визначається активацією кальцієвих каналів, а реполяризация відбувається завдяки активації різних типів калієвих каналів.

Виявлені так само клітини, у яких реверсія мембранного потенціалу обумовлена дифузією іонів кальцію. До таких, зокрема, відносяться волокна гладеньких м'язів кишечнику, матки, судин й інших порожнистих органів.

У мембрані нервів і м'язових волокон утримується велика кількість потенціалзалежних кальцієвих каналів. Кальцій, що входить у клітину через ці канали під час потенціалу дії, впливає на самі різні процеси. Приміром, короткочасне збільшення рівня кальцію в ході потенціалу дії викликає як секрецію хімічних медіаторів у нервовому закінченні, так і скорочення м'язового волокна.

У деяких м'язових волокнах і нейронах кальцієві струми досягають такої величини, що або вносять значний вклад, або повністю формують фазу росту потенціалу дії. Процес цей носить регенеративний характер завдяки зростанню дСа при деполяризації, точно такому, як у натрієвих каналів. Участь кальцієвих каналів у потенціалі дії було вперше вивчене Фаттом і Гинзборгом, а згодом Хагиварой. Кальцієві потенціали дії описані в серцевому м'язі, у цілому ряді нейронів безхребетних, а також у нейронах вегетативної й центральної нервової системи хребетних. Наявність кальцієвих потенціалів дії також показано в ненейрональних типах клітин, таких як ряд ендокринних клітин і деяких яйцеклітин безхребетних. Потенціалзалежні кальцієві струми блокуються в мілімолярних концентраціях кобальтом, магнієм або кадмієм, доданим у позаклітинний розчин. Барій може замінити кальцій у проходженні через пору каналу; магній на це не здатен. Разючим прикладом співіснування натрієвих і кальцієвих потенціалів дії в одному типі клітин є клітина Пуркіньє в мозочку ссавців. Натрієві потенціали дії генеруються в тілі клітини Пуркіньє, у той час як кальцієві - у дендритах.

Іони кальцію впливають також на збудливість мембрани: зниження позаклітинної концентрації кальцію приводить до збільшення збудливості; підвищення позаклітинного рівня кальцію, навпроти, спричиняє зниження збудливості.

Поширення потенціалу дії

Нервові та м’язові волокна являють собою циліндричні провідники. Їхній внутрішній вміст, що має відносно низький питимий опір, ізольовано мембраною від зовнішнього добре провідного середовища. Поширення ПД відбувається завдяки виникненню локальних струмів між збудженою та не збудженою ділянками нервового або м’язового волокна.

Що більший внутрішній опір кабельної структури, її ємність і опір зовнішнього середовища, то менша швидкість проведення. Швидкість поширення ПД пропорційна кореню квадратному від діаметра волокна.

У мієлінізованих нервових волокнах потенціал дії виникає ("генерується") у перехопленнях Ренвьє, а потім передається від одного перехоплення до іншого чисто електричним шляхом. У безмієлінових нервових волокнах кожна ділянка волокна, сприймаючи електричний сигнал від сусідніх ділянок нерва, генерує потенціал дії, що потім поширюється далі.