Механизм возникновения потенциала действия на возбудимых мембранах

Потенциалом действия называется кратковременное изменение трансмембранной разности потенциалов на наружной мембране нервных и мышечных клеток при их возбуждении.

В опытах по изучению потенциала действия используют два микроэлектрода, введенных в мышечную или нервную клетку. На первый микроэлектрод подают импульсы от генератора прямоугольных импульсов, изменяющие мембранный потенциал. Мембранный потенциал измеряют при помощи второго микроэлектрода высокоомным регистратором напряжения.

Потенциалы действия регистрируются на мембране мышечной или нервной клетки только в том случае, если прямоугольный импульс уменьшает трансмембранную разность потенциалов (является деполяризующим) и имеет достаточную величину (то есть его амплитуда превышает некоторое минимальное (пороговое) значение). При этом на мембране регистрируются следующие изменения трансмембранной разности потенциалов (см. схему). Трансмембранная разность потенциалов вначале падает до нуля, затем на непродолжительное время полярность мембраны изменяется (внутренняя поверхность мембраны приобретает положительный потенциал), после чего восстанавливается исходный уровень потенциала покоя. Соответственно, выделяют две фазы потенциала действия – фазу деполяризации и фазу реполяризации. Положительное значение мембранного потенциала носит название потенциала инверсии (реверсии). В нервных волокнах длительность потенциала действия равна примерно 1 мс; в скелетных мышцах – примерно 10 мс.

Характерные свойства потенциала действия:

1) наличие порогового значения деполяризующего стимула;

2) закон "всё или ничего" – если деполяризующий импульс больше порогового, то развивается потенциал действия, амплитуда которого не зависит от амплитуды возбуждающего импульса; если деполяризующий импульс меньше порогового, то потенциала действия нет;

3) во время развития потенциала действия наблюдается явление рефрактерности (невозбудимости) мембраны;

4) в момент возбуждения резко уменьшается сопротивление мембраны.

Опыты по изучению механизма возникновения потенциала действия показали, что:

а) можно изменять амплитуду потенциала действия, изменяя концентрацию натрия в наружной среде (при уменьшении концентрации натрия амплитуда ПД уменьшается; если из окружающей клетку среды полностью удалить натрий, ПД вообще не возникает);

б) при возбуждении резко возрастает проницаемость мембраны для ионов натрия (показано в опытах с радиоактивным изотопом натрия).

Если в состоянии покоя соотношение коэффициентов проницаемости мембраны аксона кальмара для разных ионов:

Р_К: Р_Na: P_Cl = 1: 0,04: 0,45

то в состоянии возбуждения

Р_К: Р_Na: P_Cl = 1: 20: 0,45.

Таким образом, по сравнению с невозбужденным состоянием, при возбуждении коэффициент проницаемости для натрия возрастает в 500 раз.

Это изменение проницаемости связано с тем, что в мембранах мышечных и нервных клеток, способных генерировать ПД (так называемых возбудимых мембранах), имеются особые, так называемые потенциалзависимые натриевые каналы.

В экспериментах, проведенных Ходжкином, Хаксли, Бейкером, Шоу, было показано, что первая фаза ПД (фаза деполяризации) связана с потоком ионов натрия из окружающей среды (где их концентрация больше) в клетку (где их концентрация меньше) через потенциалзависимые натриевые каналы. Следует отметить, что на первых порах (пока мембранный потенциал отрицателен) электрический градиент способствует входу натрия в клетку. После достижения нулевого значения трансмембранной разности потенциалов входящий поток ионов натрия не прекращается (так как сохраняется концентрационный градиент ионов натрия на мембране), и он будет продолжаться до достижения натриевого равновесного потенциала (выравнивания значений электрохимического потенциала по обе стороны мембраны).

Таким образом, величину потенциала инверсии можно рассчитать по формуле Нернста:

ПИ = φ _{равн. Na} = > 0

Общая же амплитуда ПД будет равна: |ПД| = |ПП| + |ПИ|

Итак, первая фаза ПД (фаза деполяризации) связана со входящим током ионов натрия. Почему же мембранный потенциал не фиксируется на уровне ПИ, а возвращается к исходному уровню потенциала покоя?

Это связано с двумя причинами:

1) Каждый натриевый потенциалзависимый канал открывается только на определенное время (время открытого состояния канала; это время в среднем равно 0,7 мс); существует также время, в течение которого велика вероятность открывания отдельного канала (время жизни каналов; для натриевых каналов оно равно примерно 2 мс). Таким образом, надпороговый стимул увеличивает вероятность открывания каналов (идет процесс их активации). По прошествии времени жизни каналов вероятность их открывания падает до нуля, и этот процесс называется инактивацией натриевого тока.

2) Наряду с натриевыми потенциалзависимыми каналами, в возбудимых мембранах существуют также калиевые потенциалзависимые каналы. Эти каналы имеют среднее время открытого состояния порядка 5 мс, и, в отличие от натриевых каналов, они не инактивируются, пока мембранный потенциал выше порогового значения. Динамика изменений проводимости мембраны для ионов натрия и калия показана на таблице.

Таким образом, к моменту, когда входящий ток натрия прекращается, проницаемость мембраны для ионов калия достигает максимума, и развивается выходящий калиевый ток, возвращающий мембранный потенциал к исходному уровню. Следует отметить, что вначале, когда внутренняя сторона мембраны имеет положительный потенциал, электрический градиент способствует выходящему калиевому току.

Итак, первая фаза потенциала действия обусловлена входящим током ионов натрия через натриевые потенциалзависимые каналы, а вторая – выходящим током ионов калия через калиевые потенциалзависимые каналы.