Потенциал действия и его распространение

Все живые клетки при действии различных раздражителей (хи­мических, механических, температурных и пр.) способны перехо­дить в возбужденное состояние. Опыт показывает, что возбужден­ный участок становится электроотрицательным по отношению к по­коящемуся, что является показателем перераспределения ионных потоков в возбужденном участке. Реверсия потенциала при возбуж­дении кратковременна, и после окончания возбуждения через неко­торое время вновь восстанавливается исходный потенциал покоя. Общее изменение разности потенциалов на мембране, происходя­щее при возбуждении клеток, называется потенциалом действия. На рис. 11.17 представлен потенциал действия гигантского аксо­на кальмара, обозначены отдельные стадии изменения потенциала. В частности, для клетки характерен так называемый запаздывающий потенциал, когда в течение некоторого времени на мембране существует даже меньший потенциал, чем потенциал покоя.

Измерить проницаемость мембран для какого-либо иона (иначе говоря, электропроводимость или сопротивление мембраны для этого иона) можно, если на основании закона Ома найти отноше­ние тока к напряжению, или наоборот. Практическая реализация такой задачи осложняется тем, что проницаемость (электрическое сопротивление) мембраны при возбуждении изменяется со време­нем. Это приводит к перераспределению электрического напряже­ния в цепи, и разность потенциалов на мембране изменяется. Ходжкин, Хаксли и Катц смогли создать опыт с фиксацией опре­деленного значения разности потенциала на мембране. Это позво­лило им провести измерение ионных токов и, следовательно, про ницаемости (сопротивления) мембран для ионов. Оказалось, что отношение проницаемостей мембраны для ионов натрия и калия практически повторяет форму потенциала действия. Кроме то­го, были получены кривые временной зависимости ионных токов через мемб­рану (рис. 11.18). На этом рисунке кри­вая 1 соответствует временной зависимости суммарного ионного тока через мембрану гигантского аксо­на кальмара, полученного при изменении потенциала на мембране до +56 мВ (потенциал покоя равен -60 мВ). Вначале направление тока отрицательно, что соответствует прохождению положитель­ных ионов через мембрану клетки. Было установлено, что ток этот обусловлен прохождением ионов натрия внутрь клетки, где кон­центрация их значительно меньше, чем снаружи.

Естественно, что при таком нарушении равновесия ионы ка­лия начнут перемещаться наружу, где их концентрация сущест­венно меньше. Для того чтобы выяснить, какая часть тока «на­триевая», а какая «калиевая», можно провести то же возбужде­ние, но в искусственных условиях, когда в среде, окружающей аксон, нет натрия. В этом случае (см. кривую 2) ток обусловли­вается только выходом ионов калия наружу из клетки. Разница значений тока для двух кривых показана на кривой 3: кри­вая 3 есть разность кривых 1 и 2. Она дает зависимость от вре­мени ионного тока натрия. На этой кривой часть а соответствует открыванию натриевых каналов, а б — их закрытию (инактивации).

В целом последовательность событий, происходящих на кле­точной мембране при возбуждении, выглядит следующим образом. При возбуждении в мембране открываются каналы для, ионов натрия (проницаемость мембраны возрастает более чем в 5000 раз). В результате отрицательный заряд с внутренней стороны мембраны становится положительным, что соответствует пику мембранного потенциала (фаза деполяризации мембраны). Затем поступление натрия из внешней среды прекращается. В это время натриевые каналы закрываются, но открываются калиевые. Калий проходит в соответствии с градиентом концентрации из клетки до тех пор, пока не восстановится первоначальный отрицательный заряд на мембране и мембранный потенциал не достигнет своего первоначального значения (фаза реполяризации).На са­мом деле выход ионов калия из клетки продолжается дольше, чем это требуется для восстановления потенциала покоя. В результате за пиком потенциала действия следует небольшой минимум (запаздывающий потенциал).

Ионные каналы имеют белковое происхождение (см. рис. 11.3 и 11.13). Они селективно (выборочно) пропускают ионы разного вида. Канал может быть «закрыт» (блокирован) молекулами ядов, его пропускная способность зависит от действия некоторых,лекарственных средств. Поэтому теория ионных каналов в мемб­ранах является важной частью молекулярной фармакологии.

Механизм распространения по­тенциала действия в деталях рас­сматривается в курсе нормальной физиологии. Мы же рассмотрим лишь некоторые основные положе­ния. Распространение потенциала действия вдоль нервного волокна (аксона) обусловлено возникнове­нием так называемых локальных токов, образующихся между воз­бужденным и невозбужденным уча­стками клетки. На рис. 11.19 схе­матично указаны отдельные ста­дии возникновения и распростране­ния потенциала действия. В состоя­нии покоя (рис. 11.19, а) внешняя поверхность клеточной мембраны имеет положительный потенциал, а внутренняя — отрицательный. В момент возбуждения полярность мембраны меняется на противоположную (рис. 11.19, б). В резуль­тате этого между возбужденным и невозбужденным участками мембраны возникает разность потенциалов. Наличие разности по­тенциалов и приводит к появлению между этими участками ло­кальных токов. На поверхности клетки локальный ток течет от не­возбужденного участка к возбужденному; внутри клетки он течет в обратном направлении (рис. 11.19, в). Локальный ток, как и любой электрический ток, раздражает соседние невозбужденные участки и вызывает увеличение проницаемости мембраны. Это приводит к возникновению потенциалов действия в соседних участках. В то же время в ранее возбужденном участке происходят восстановитель­ные процессы реполяризации. Вновь возбужденный участок в свою очередь становится электроотрицательным и возникающий ло­кальный ток раздражает следующий за ним участок. Этот процесс многократно повторяется и обусловливает распространение им­пульсов возбуждения по всей длине клетки в обоих направлениях (рис. 11.19, г). В нервной системе импульсы проходят лишь в опре­деленном направлении из-за наличия синапсов, обладающих одно­сторонней проводимостью.

По электрическим свойствам аксон напоминает кабель с проводящей сердцевиной и изолирующей оболочкой. Однако для того чтобы в кабеле не было значительных потерь энергии при про­текании тока, сопротивление его должно быть малым, а сопро­тивление изоляции — очень большим. В аксоне проводящим ве­ществом служит аксоплазма, т. е. раствор электролита, удельное сопротивление которого в миллионы раз больше, чем у меди или алюми­ния, из которых изготавливают обыч­ные кабели. Удельное сопротивление биомембран достаточно велико, но вследствие их малой толщины сопро­тивление изоляции «аксонного кабе­ля» в сотни тысяч раз меньше, чем у технического кабеля. По этой причине однородное нервное волокно не может проводить электрический сигнал на далекое расстояние, интен­сивность сигнала быстро затухает. Расчеты показывают, что на­пряжение на мембране волокна будет экспоненциально умень­шаться по мере удаления от места возбуждения (рис. 11.20). Если величина потенциала действия в месте возбуждения была равна Ф_mах, то на расстоянии l от этого места потенциал на мембране бу­дет равен:

где λ — постоянная длины нервного волокна, которая определяет степень затухания сигнала в аксоне по экспоненциальному зако­ну. Эту величину можно рассчитать по следующей приближенной формуле:

где d — диаметр волокна, R — поверхностное сопротивление мембраны в Ом • м² (т. е. сопротивление 1 м² ее поверхности) ир — удельное сопротивление аксоплазмы в Ом • м.

Расчеты, проведенные для аксона кальмара, показывают, что на конце аксона величина сигнала должна быть ничтожно малой. Однако существование локальных токов приводит к тому, что воз­буждение передается по нервному волокну без затухания. Это объясняется тем, что локальные токи лишь деполяризуют мемб­рану до критического уровня, а потенциалы действия в каждом участке мембраны поддерживаются независимыми ионными потоками, перпендикулярными к направлению распространения воз­буждения.

Из (11.40) видно, что с увеличением λ степень затухания сиг­нала уменьшается. Было показано, что при этом возрастает ско­рость проведения импульса, а это очень важно для жизнедеятель­ности любого организма. Величины λ и р примерно одинаковы для всех животных клеток, и поэтому увеличения постоянной длины λ можно добиться путем увеличения диаметра d аксона. Именно поэтому у кальмаров аксоны достигают «гигантских» размеров (диаметр до 0,5 мм), что обеспечивает кальмару доста­точно быстрое проведение нервного импульса и, следовательно, быстроту реакции на внешние раздражители.

У высокоорганизованных животных с развитой нервной систе­мой толстые волокна оказываются неэкономичными, и затухание сигнала предотвращается другим способом. Мембраны аксонов у них покрыты миелином — веществом, содержащим много холес­терина и мало белка (рис. 11.21). Удельное сопротивление миели­на значительно выше удельного сопротивления других биологи­ческих мембран. Помимо этого, толщина миелиновой оболочки во много раз больше толщины обычной мембраны, что приводит к возрастанию диаметра волокна и соответственно величины λ. Как видно из рис. 11.21, миелиновая оболочка не полностью покрыва­ет все волокно; оно разделено на отдельные сегменты, между ко­торыми на участках длиной около 1 мкм мембрана аксона непо­средственно соприкасается с внеклеточным раствором. Области, в которых мембрана контактирует с раствором, называют перехва­тами Ранвье. В связи с большим сопротивлением миелиновой обо­лочки по поверхности аксона токи протекать не могут, и затуха­ние сигнала резко уменьшается. При возбуждении одного узла возникают токи между ним и другими узлами. Ток, подошедший к другому узлу, возбуждает его, вызывает появление в этом месте потенциала действия, и процесс распространяется по всему во­локну. Затраты энергии на распространение сигнала по волокну, покрытому миелином, значительно меньше, чем по немиелинизированному, так как общее количество ионов натрия, проходящих через мембрану в области узлов, значительно меньше, чем если бы они проходили через всю поверхность мембраны. При некото­рых заболеваниях структура миелиновых оболочек нарушается, и это приводит к нарушению проведения нервного возбуждения. При блокировании узлов нервного волокна

Поскольку узлы замыкаются через аксоплазму и внеклеточ­ную среду, то можно предположить, что при увеличении сопро­тивления внешней среды скорость проведения нервного импульса уменьшится. Это предположение было проверено на опыте. Нерв­ные волокна сначала помещали в морскую воду, а затем в масло с большим удельным сопротивлением. Скорость проведения им­пульса во втором случае уменьшалась в 1,5—2 раза (в зависимос­ти от диаметра волокна).

Существует некоторая формальная аналогия между распростра­нением потенциала действия по нервному волокну и электромаг­нитной волной в двухпроводной линии или коаксиальном кабеле. Однако между этими процессами имеется существенное различие. Электромагнитная волна, распространяясь в среде, ослабевает, так как растрачивает свою энергию. Волна возбуждения, прохо­дящая по нервному волокну, не затухает, получая энергию в са­мой среде (энергию заряженной мембраны). Волны, получающие энергию из среды в процессе распространения, называют авто­волнами, а среду — активно-возбудимой средой (ABC). В § 11.9 будут рассмотрены более подробно свойства автоволн, распростра­няющихся в ABC.