Диффузионные, мембранные и фазовые потенциалы

Для возникновения биопотенциалов решающее значение имеют потенциалы, обусловленные несимметричным, неравномерным распределением ионов. К таким потенциалам могут быть отнесены диффузионные, мембранные и фазовые.

Диффузионные потенциалы возникают на границе раздела двухжидких сред в результате различной подвижности ионов. Допустим, имеется сосуд с раствором соляной кислоты, разделенный пористой перегородкой

(рис. 28, А). Пусть в левой половине сосуда концентра­ция соляной кислоты будет выше, чем в правой. Тогда ионы водорода и хлора будут диффундировать из левой половины сосуда в правую по градиенту концентрации. Скорости диффузии ионов будут определяться их подвижностями. Подвижность иона водорода равна 315 см² Ом^-1 * г-экв, а подвижность иона хлора — 65,5. В результате большей подвижности ионы водорода при диффузии будут намного опережать ионы хлора. А так как ионы водорода имеют положительный заряд, а ионы хлора — отрицательный, то в правой половине сосуда возникнет положительный заряд, а в левой — отрица­тельный.

Возникающая диффузионная разность потенциалов приводит к торможению более «быстрых» ионов и ускорению более «медленных», поскольку силы возникающего электрического поля направлены против сил диффузий. Диффузионная разность потенциалов достигает максимального значения в тот момент, когда скорости диффузии ионов становятся равными. Диффузионная разность потенциалов Е находится из уравнения Гендерсона:

  (1)

где U — подвижность катиона; V — подвижность аниона; R. — газовая постоянная; Т — абсолютная температура; п — валентность ионов; Р — число Фарадея; а ₁— актив-

168

Рис. 28. Схема возникновения диффузионного (А) и мембранного (Б)

потенциалов.

Стрелки — направление диффузии ионов; кружки  — наличие фиксированных

зарядов на мембране.

ность ионов в области, откуда идет диффузия; а ₂— ак­тивность ионов в области, куда идет диффузия.

Под активностью ионов понимают их активную кон­центрацию. Активность ионов всегда меньше их абсо­лютной концентрации, что обусловлено взаимодействием ионов друг с другом, а также их взаимодействием с электрически заряженными группами других молекул. Активность выражается произведением коэффициента активности f, определяемым эмпирически, на абсолют­ную концентрацию С ионов:

  (2)

Как следует из уравнения (1), диффузионная раз­ность потенциалов зависит от разности в подвижностях катиона и аниона и от отношения активностей ионов в измеряемых участках. Очевидно, что при одинаковой подвижности катионами аниона, а также при отсутствии концентрационного градиента диффузионный потенциал будет равен нулю.

В биологическом объекте наиболее отчетливо диф­фузионный потенциал может проявляться, вероятно, только при механическом повреждении клеток. Из места повреждения происходит диффузия ионов в неповрежденные участки и возникает диффузионный потенциал, который суммируется при измерении демаркационного потенциала с потенциалом покоя клетки.

169

Частным видом диффузионного потенциала можно считать мембранный потенциал. Допустим,пористую перегородку в сосуде, которая пропускала и катионы, и анионы, заменили полупроницаемой мембраной, пропус­кающей только катионы (рис. 28, Б). Такой мембраной может быть мембрана с большой концентрацией фикси­рованных отрицательных зарядов — катионообменная мембрана. В таком случае подвижность ионов хлора в мембране равна нулю и в правую часть сосуда диф­фундируют только ионы водорода. Диффузия ионов во­дорода не будет бесконечным процессом, поскольку они испытывают притяжение к оставшимся по другую сто­рону мембраны ионам хлора. После установления равно­весия между силами диффузии и силами электрического поля на мембране возникает двойной электрический слой и диффузия ионов прекращается. Если V =0, то уравнение (1) превращается в уравнение Нернста, с помощью которого вычисляется мембранная разность потенциалов:

 

 

(3)

где обозначения те же, что и в уравнении (1). Как сле­дует из уравнения (3), мембранный потенциал зависит от температуры и от величины концентрационного гра­диента диффундирующих через мембрану ионов.

Если перейти от натуральных логарифмов к деся­тичным и подставить в уравнение (3) значения постоян­ных R и F, то при 20°С получим:

  (4)

Уравнением (4) обычно пользуются для практических расчетов мембранного потенциала; оно показывает, что при изменении отношения активностей ионов в 10 раз потенциал изменяется на 58 мВ.

В соответствии с современными представлениями, по­тенциалы покоя, повреждения и действия являются по своей природе мембранными потенциалами.

Так же как и мембранные, известную аналогию с диффузионными потенциалами имеют и фазовые потен­ циалы. Фазовые потенциалы возникают на границе раз­дела двух несмешивающихся фаз (например, раствор электролита в воде и какое-либо масло) в результате

170

различной растворимости катионов и анионов в неводной фазе. Если, например, катионы лучше, чем анионы, ра­створяются в неводной фазе, то они интенсивнее диф­фундируют в нее и заряжают ее положительно по отно­шению к водной фазе.

Поскольку цитоплазма клеток (представляет собой многофазную микрогетерогенную систему, то на поверх­ностях раздела фаз могут возникать фазовые потенциа­лы небольшой величины. Величину фазовых потенциа­лов находят из уравнения (1).

ТЕОРИИ ПРОИСХОЖДЕНИЯ БИОПОТЕНЦИАЛОВ

Хорошо теоретически разработана и подтверждена блестящими экспериментами мембранная теория биопо­тенциалов. Мембранная теория была выдвинута еще в 1902 г. Бернштейном. Однако только в 50-х годах эта теория была по настоящему развита и экспериментально обоснована Ходжкиным, которому принадлежат основ­ные идеи и теории о роли ионных градиентов в возник­новении биопотенциалов и о механизме распределения ионов между клеткой и средой.

Сущность этой теории заключается в том, что по­тенциал покоя и потенциал действия являются по своей природе мембранными потенциалами, — обусловленными полупроницаемыми свойствами клеточной мембраны и неравномерным распределением ионов между клеткой и

средой, которое поддерживается механизмами активного

переноса, локализованными в самой мембране. Ниже основные представления мембранной теории будут рас­смотрены более подробно.

Согласно фазовой теории биопотенциалов (Д. Н. На­сонов, В. Я. Александров, А. С. Трошин, 1944), цито­плазма представляет собой единую, несмешивающуюся с водой фазу. Ионы в цитоплазме находятся на 80 — 90% в связанном состоянии (в основном с белками), поэтому в невозбужденных и неповрежденных клетках разность электрических потенциалов отсутствует. При возбуждении или повреждении клеток ионы освобождаются от белковоионных комплексов цитоплазмы и

диффундируют в окружающую среду. За счет диффузии

ионов и возникают потенциалы действия и повреждения.

Однако впоследствии эта теория не получила экспе­риментального подтверждения. Во-первых, было пока-

171

зано, что ионы в клетках находятся в свободном состоя­нии (по крайней мере, их основная часть). Во-вторых, с помощью микроэлектродной техники были зарегистриро­ваны потенциалы клеток в состоянии покоя, которые фазовой теорией не признавались. Кроме того, имеется еще ряд фактических и теоретических возражений про­тив фазовой теории, поэтому в настоящее время в целом она мало кем признается, хотя отдельные ее положения имеют значение для объяснения определенных биоэлек­трических явлений.

В последнее время на смену фазовой пришла полиэлектролитная теория, которая объясняет потенциал покоя и потенциал действий свойствами молекул поли­электролитов в клетке. Полиэлектролитными считаются молекулы с большим количеством фиксированных за­рядов, которые обусловлены концевыми и боковыми диссоциирующими группами (СООН и NH₂). К полиэлектролитным можно отнести белковые молекулы (см. гла­ву 8). Согласно этой теории, основой цитоплазмы служит комплексный полиэлектролитный гель сетчатой структу­ры с фиксированными на ней отрицательными зарядами, который способен избирательно накапливать калий в ионном виде. При возбуждении полиэлектролитные структуры временно утрачивают избирательность к ио­нам калия, что вызывает вначале диффузию натрия в клетку, а затем — калия из клетки в окружающую среду. Диффузия ионов и служит причиной возникновения и исчезновения деполяризации клетки.

Опыты Курелла и других авторов подтверждают, что потенциал покоя существует в нативной клетке, а не возникает в результате повреждения. Однако предпола­гаемый им механизм поглощений ионов калия клеткой за счет избирательной сорбции полиэлектролитами, а также изменение этой избирательности при возбуждении вызывают сомнения. Возможно, что наличие полиэлектро­литов в цитоплазме является одним из факторов, опре­деляющих наличие некоторого количества связанных ионов калия в клетке.

ПОТЕНЦИАЛ ПОКОЯ

Между внутренней и наружной поверхностями клеточной мембраны всегда существует разность электрических потенциалов. Эта разность потенциалов, изме-

172

ренная в состоянии физиологического покоя клетки, называется потенциалом покоя. Потенциал покоя клетки можно измерить с помощью стеклянного микроэлектрода, введенного непосредственно в цитоплазму; второй электрод приэтом находится во внеклеточной жидкости. Кончик микроэлектрода, имеющего внутри канал, заполненный концентрированным              раствором КСl, может иметь диаметр всего в долю микрона. При введении микроэлектрода мембрана клетки охватывает его кончик и ее повреждения практически не происходит. Основные работы по выяснению механизмов возникновения био­потенциалов были выполнены на крупных клетках: ги­гантских аксонах кальмаров, клетках водоросли Nitella и др. Эти клетки могут иметь диаметр до 1 мм, что очень удобно для исследования.

На основании большого экспериментального материа­ла было установлено, что цитоплазма в состоянии покоя

клеток всегда имеет отрицательный потенциал по отно­шению к потенциалу межклеточной жидкости. Потен­циал покоя у разных клеток имеет величину от 50 до 100 мВ. В табл. 3 приведены значения потенциала по­коя для некоторых клеток.

Согласно современным взглядам, причиной возникновения потенциалов клеток как в покое, так и при возбуждении является неравномерное распределение ионов калия и натрия между содержимым клеток и окружающей средой. Как уже указывалось в главе 6, концент­рация ионов калия внутри клеток в 20 — 40 раз превышает их содержание в окружающей клетку жидкости-

173

 

Напротив, концентрация натрия в межклеточной жид-кости в 10 — 20 раз выше, чем внутри клеток. Такое не-равномерное распределение ионов обусловлено актив­ным переносом ионов — работой натрий-калиевого насоса (см. главу 6).

Как было установлено, возникновение 'потенциала по­коя обусловлено в основном наличием концентрацион_: ного градиента ионов калия. Эта точка зрения базиру­ется на том, что ионы калия внутри клетки находятся в свободном состоянии, т. е. не связаны с другими ионами и молекулами и могут свободно диффундировать. Иссле­дования Ходжкина и Кейнеса (1953), выполненные с радиоактивным ⁴²К на гигантских аксонах кальмара, по­казали, что подвижность и коэффициент диффузии ⁴²К внутри волокна -почти такие же, как и в водном ра­створе. Хинке (1961) установил, что коэффициент ак­тивности калия в аксоплазме такой же, как и в морской воде. Гаррис (1954) показал, что электрическая подвиж­ность ⁴²К в мышечном волокне лягушки также оказа­лась близкой к подвижности в водном растворе. Нако­нец, на то, что калий в цитоплазме находится в свобод­ном состоянии, указывает и высокое значение электропро­водности аксоплазмы —0,5>0,8 электропроводности мор­ской воды.

Избыток положительных зарядов ионов калия внутри клеток компенсируется в основном органическими анио­нами. К ним относятся анионы аспарагиновой, уксусной, пировиноградной и других органических кислот. Содер­жание неорганических анионов в клетках сравнительно небольшое.

Согласно теории Ходжкина, Хаксли, Катца, клеточ ная мембрана в состоянии покоя проницаема в основ-ном только для ионов калия. Ионы калия диффунди-руют по концентрационному градиенту через клеточную

мембрану в окружающую жидкость; анионы не могут

проникать через мембрану и остаються на ее внутренней

стороне. Так как ионы калия имеют положительный за-ряд. а анионы, остающиеся на внутренней поверхности мембраны, — отрицательный, то внешняя — поверхность мембраны при этом заряжается положительно, а внут-ренняя — отрицательно (рис. 29). Понятно, что диффу-зия продолжается только до того момента, пока не установится равновесие между силами возникающего электрического поля и силами диффузии.

174

 

Рис 29. Влияние диффузии ионов калия, натрия и хлора на мембран­ный потенциал клеток.

Если принять, что потенциал покоя определяется диффузией только ионов калия из цитоплазмы наружу, то его величина Е может быть найдена из уравнения Нернста:

(5)

где [ К ] _i и [ К ] _е —активность ионов калия внутри и сна­ружи клетки.

Разность потенциалов между внутренней и наруж­ной поверхностями мембраны различных клеток, рассчи­танная по уравнению Нернста, оказалась очень близкой к измеренной в опыте с помощью внутриклеточных микроэлектродов. Кроме того, калиевый механизм воз­никновения потенциала покоя убедительно подтверж­дают эксперименты с изменением концентрации калия в окружающей клетку среде. При изменении наружной концентрации калия в широких пределах наблюдалось закономерное изменение величины потенциала покоя в соответствии с зависимостью, выраженной уравнением (5). В частности, когда концентрацию калия в окружающей клетку жидкости делали равной концентрации в клетке, потенциал покоя становился равным нулю.

Вторым фактором пропорциональности в уравнении (5) служит абсолютная температура. Величина потен­циала покоя по теории должна быть прямо пропорцио­нальной абсолютной температуре. Еще в прошлом веке было показано, что локальное согревание участка нерва делает его электроположительным по отношению к дру­гим участкам, что качественно подтверждает справедли­вость уравнения (5) в его применении к описанию по­тенциала покоя клеток. Точные измерения Линга и дру­гих авторов показали, что температурный коэффициент

175

Q₁₀ потенциала покоя клеток равен примерно 1,1. Такой температурный коэффициент характерен для физических процессов (см. главу 4). Таким образом, температурные зависимости потенциала покоя подтвердили, что в осно­ве его возникновения лежит физический процесс, в част­ности диффузия.

При более точном измерении потенциала покоя вы­яснилось, что во многих случаях его измеренное значе­ние соответствует значению, теоретически вычисленному по уравнению (5); в других случаях между измеренной и вычисленной величинами имеются значительные отли­чия. Это объясняется тем, что на величину потенциала покоя оказывает влияние диффузия других ионов.

Мембрана в состоянии покоя проницаема не только
для ионного калия, но и в небольшой степени для ионов
натрия и хлора. Мембранный потенциал клеток представляет собой результирующую электродвижущих сил,
генерируемых всеми этими тремя каналами диффузии.
Проникновение натрия из окружающей жидкости внутрь
клетки по концентрационному градиенту приводит к не­
которому уменьшению мембранного потенциала (см.
рис. 29). Диффузия через мембрану ионов хлора, содержание которых в межклеточной жидкости большинства тканей выше, чем в клетках, вызывает некоторое увеличение мембранного потенциала. Следовательно, для более точного вычисления потенциала покоя необходимо учитывать не только диффузию ионов калия, но и диф­фузию натрия и хлора. Уравнение (5) позволяет описывать мембранный потенциал только в первом приближении; для более точного определения потенциала при­ меняют обобщенное уравнение Гольдмана:                                                                                     *

(6)

где Р_к, Р_{N a}, Р _Cl — коэффициенты проницаемости мем­браны для ионов калия, натрия и хлора; [ K ], [ N a ], [ С l ] — их активности внутри (i) и вне (е) клетки. Уравнение (6) позволяет определять мембранный по­тенциал не только в состоянии покоя, но и при возбуж­дении клетки. Для этого необходимо знание коэффи­циентов проницаемости для ионов. Если мембрана про­ницаема только для одного вида ионов, например для ионов калия, то Р_{N a} =Р _Cl =0 и уравнение (6) переходит в уравнение (5). По данным Ходжкина и Катца (1949),

176

для аксона кальмара в состоянии покоя отношение коэф­фициентов проницаемости Р _K: P _Na: Р _Cl = 1: 0,04: 0,45.

Кроме простой диффузии ионов калия и натрия через мембрану, приводящей к определенным изменениям мем­бранной разности потенциалов, наблюдается обменная диффузия этих ионов. Поскольку при обменной диффу­зии потоки ионов через мембрану в прямом и обратном направлениях равны, электронейтральность растворов с обеих сторон мембраны сохраняется, т. е. наличие обмен­ной диффузии ионов не влияет на мембранный по­тенциал.

Имеются данные, что пассивный перенос калия че­рез мембрану сопряжен с пассивным переносом натрия по типу ионообменной диффузии. При этом калий ци­топлазмы заменяется на натрий внешнего раствора при сохранении постоянства мембранного потенциала.

ПОТЕНЦИАЛ ДЕЙСТВИЯ

Все клетки возбудимых тканей при действии различ­ных раздражителей достаточной силы способны перехо­дить в состояние возбуждения. К возбудимым отно­сятся нервная, мышечная и железистая ткани, хотя чет­кой границы между возбудимыми и другими тканями провести нельзя. Возбудимость — это способность клеток к быстрому ответу на раздражение, проявляющемуся через совокупность физических, физико-химических про­цессов и функциональных изменений. Обязательным признаком возбуждения является изменение электриче­ского состояния клеточной мембраны. Опыт показывает, что возбужденный участок клетки становится электроотицательным по отношению к невозбужденному, что указывает на перераспределение ионов в возбужденном участке. При возбуждении оно имеет временный характер, и после окончания возбуждения вновь восстанавли­вается исходный потенциал покоя. Общее изменение раз­ности потенциалов между клеткой и средой, происходящее при пороговом и сверхпороговом возбуждении клеток, называется потенциалом действия. Потенциалы

действия обеспечивают проведение возбуждения по нервны волокнам и инициируют процессы сокращения

мышечных и секреции железистых клеток. Ю. Бернштейн — автор мембранной теории — пола­гал, что при возбуждении мембрана становится хорошо

2 Медицинская биофизика                                                                                                                177

 

проницаемой для всех ионов. Ионные градиенты вслед­ствие этого исчезают и разность потенциалов на мембране уменьшается до нуля. Таким образом, согласно теории Бернштейна, потенциал действия не может быть больше потенциала покоя. Если измерить разность по тенциалов между возбужденным и невозбужденными

участками, то возбужденный участок будет электроотрицательным по отношению к невозбужденному, что и подтверждалось в опытах с отведением потенциалов от поверхности клеток.

Однако, когда применили методику внутриклеточного отведения потенциалов, то обнаружили, что при возбуж­дении мембранный потенциал не просто падает до нуля; он продолжает изменяться дальшеи достигает значи-

тельной величины. На рис. 30, где показано изменение мембранного потенциала при возбуждении, видно, что в состоянии покоя внутренняя сторона клеточной оболочки имеет отрицательный потенциал, примерно равный — 45 мВ, тогда как при возбуждении мембранный потен­циал становится равным +40 мВ. Таким образом, пол­ное значение потенциала действия составляет 85 мВ, что значительно превышает величину потенциала покоя. Современная теория возникновения потенциала дей­ствия базируется на данных, полученных методами внутриклеточного отведения потенциалов, фиксации на-

178

пряжения на мембране, радиоактивных изотопов, перфузии нервных волокон, электропроводности и др.

Еще в 1938 г. Коул и Кертис показали, что возбуждение связано с кратковременным увеличением электро­проводности клеточной мембраны. Согласно их данным, сопротивление мембраны аксона кальмара изменяется от 1000 Ом/см² в состоянии покоя до 25 Ом/см² в мо­мент возбуждения, а клетки водоросли Nitella от 100 000 до 500 Ом/см². При этом сопротивление цито­плазмы клеток практически не изменялось. Уменьшение электрического сопротивления мембраны при возбуж­дении может быть объяснено только увеличением ее проницаемости для ионов, поскольку последние явля­ются переносчиками электричества в тканях.

Дальнейшее развитие теории потенциала действия было связано с применением метода фиксации напря­жения на мембране (метод Ходжкина, Хаксли, Катца). Сущность этого метода заключается в том, что мембран­ный потенциал на участке мембраны смещают до неко­торой величины с помощью двух электродов, располо­женных на ее противоположных сторонах, и удержи­вают на этом уровне с помощью электронной схемы с отрицательной обратной связью. Ток, протекающий че­рез этот участок мембраны, служит мерой ее проницае­мости для ионов при данном напряжении и измеряется отдельным усилителем. Метод фиксации напряжения позволил раздельно изучить изменение проницаемости мембраны для ионов натрия и калия при возбуждении.

Было показано, что возникновение потенциала дейст­вия связано с увеличением проницаемости мембраны для ионов натрия и последующим усилением диффузии этих ионов по концентрационному градиенту внутрь клетки, что приводит к изменению (уменьшению) мембранного  потенциала. При этом обнаружилось, что если мембран­ный потенциал уменьшается до некоторой критической величины (на 10 — 30 мВ), то, независимо от того, чем вызвано это уменьшение — наложением внешнего элек­трического поля или же действием другого раздражите­ли, между проницаемостью мембраны для натрия и уменьшением ее мембранного потенциала (деполяриза­цией) возникает регенеративная или положительная об­ратная связь. Уменьшение мембранного потенциала ниже критического уровня приводит к увеличению про-ницаемости мембраны для натрия, а увеличение про-

I

179

 

ницаемости сопровожда­ется усилением диффузии натрия в цитоплазму, что вызывает еще более зна­чительную деполяриза­цию мембраны (рис. 31). Благодаря наличию поло­жительной обратной свя­зи деполяризация мем­браны при возбуждении происходит с ускорением и поток ионов натрия в клетку все время возрас­ тает. Интенсивность же потока ионов калия, направленного из клетки наружу, в первые моменты возбуждения остается прежней. Уси­ленный поток положительно заряженных ионов натрия (внутрь клетки вызывает вначале исчезновение избыточ­ного отрицательного заряда на внутренней поверхности мембраны, а затем приводит к перезарядке мембраны. Поступление ионов натрия в клетку (Продолжается до тех пор, пока внутренняя поверхность мембраны не при­обретет положительный заряд, достаточный для уравно­вешивания градиента концентрации натрия и (прекра­щения его дальнейшего перехода внутрь клетки. Опи­санные процессы изменения проницаемости мембраны для ионов характерны для первой фазы потенциала действия — фазы деполяризации. По данным Ходжкина, отношение коэффициентов проницаемости мембраны аксона кальмара в это время Р _K: Р _Na: Р _Cl=1: 20: 0,45. Если сравнить его с аналогичным соотношением в со­стоянии покоя Р _K: Р _Na: Р _Cl=1: 0,04: 0,45, то видно, что для калия и хлора в первой фазе возбуждения про­ницаемость не изменилась, а для натрия она увеличи­лась в 500 раз.

где Е M — мембранный потенциал при возбуждении. 180

Величину мембранного потенциала при возбуждении можно найти из уравнения (6). Так как Р _K и Р _Cl зна­чительно меньше Р _Na, то уравнение (6) переходит в уравнение Нернста для натриевого элемента:

 

Общее изменение мембранного потенциала при воз­буждении будет складываться из потенциала покоя и мембранного потенциала при возбуждении:

где Е — потенциал действия.

Благодаря этому амплитуда потенциала действия до­стигает 90 — 130 мВ (см. табл. 3) и, естественно, превы­шает величину потенциала покоя.

Натриевый механизм возникновения потенциала дей­ствия подтверждают опыты с изменением внешней и внутренней концентрации этих ионов. Было показано, что десятикратному изменению концентрации ионов нат­рия во внешней или внутренней среде клетки соответст­вует изменение потенциала действия на 58 мВ, что сле­дует и из уравнения (8). При этом выяснилось, что из­меняется именно та часть пика потенциала действия, которая превышала потенциал покоя, т.е. возникала за счет перезарядки мембраны при диффузии натрия в клетку. В этих опытах внутренняя концентрация ионов натрия изменялась при помощи микроинъекции солей натрия в клетки. При полном удалении ионов натрия из окружающей клетку жидкости потенциалы действия не возникали (если отсутствовали ионы лития и аммония — возможные заменители ионов натрия).

Таким образом, на основе обобщения большого экспериментального материала было установлено, что потенциалы действия возникают в результате избыточ­ной по сравнению с покоем диффузии ионов натрия из окружающей жидкости внутрь клетки.

Период, в течение которого проницаемость мембраны для ионов натрия при возбуждении клетки возрастает, является небольшим (0,5 — 1 мс); вслед за этим наблю­дается повышение проницаемости мембраны для ионов калия и, следовательно, усиление диффузии этих ионов из клетки наружу. Увеличение ионного потока калия, направленного из клетки наружу, приводит к уменьше­нию мембранного потенциала, что в свою очередь обус­ловливает уменьшение проницаемости мембраны для ионов натрия, которая, как указывалось, является функцией мембранного потенциала. Таким образом, вто­рой этап возбуждения характеризуется тем, что поток ионов калия из клетки наружу возрастает, а встречный

181

поток ионов натрия уменьшается. Это продолжается до тех пор, пока не произойдет восстановления потен­циала покоя — реполяризация мембраны. После этого проницаемость для ионов калия также падает до исход­ной величины. Наружная поверхность мембраны за счет вышедших в среду положительно заряженных ионов ка­лия опять приобретает положительный потенциал по отношению к внутренней. Эта фаза, в течение которой мембранный потенциал возвращается до уровня потен­циала покоя, называется фазой реполяризации. Она всегда продолжительнее фазы деполяризации и на кри­вой потенциала действия представлена в виде более по­логой нисходящей ветви. Таким образом, реполяризация мембраны происходит не в результате обратного пере­мещения ионов натрия, а вследствие выхода из клетки эквивалентного количества ионов калия.

В некоторых случаях проницаемость мембраны для ионов натрия и калия после окончания возбуждения остается повышенной. Это приводит к тому, что на кри­вой потенциала действия регистрируются так называе­мые следовые потенциалы, характеризующиеся малой амплитудой и сравнительно большой длительностью. Если скорость падения (проницаемости мембраны для натрия в фазе реполяризации замедляется, то возникает отрицательный следовой потенциал. Положительный следовой потенциал выражается в гиперполяризации (увеличении потенциала покоя) мембраны и обусловлен тем, что проницаемость мембраны для калия в восста­новительный период некоторое время остается повы­шенной.

Таким образом, формирование потенциала действия обусловлено двумя ионными потоками через мембрану: поток ионов натрия внутрь клетки приводит к переза­рядке мембраны, а противоположно направленный по­ток ионов калия обусловливает восстановление исходно­го потенциала покоя. Потоки приблизительно равны по величине, но сдвинуты во времени. Благодаря этому сдвигу во времени и возможно появление потенциала действия. Если бы потоки натрия и калия через мембра­ну совпадали во времени, то они бы компенсировали друг друга и никакого изменения мембранного потен­циала не могло бы происходить. На рис. 32 показаны кривые изменения потоков натрия и калия через мем­брану во время развития потенциала действия аксона

182

кальмара, полученные по данным метода фиксации на­пряжения. Ионные потоки выражались в единицах элек­трической проводимости.

Непосредственное измерение ионных потоков калия и натрия при возбуждении было произведено с помощью радиоактивных ⁴²К и ²⁴Nа. Так, Кейнесом (1951) было показано, что в гигантском нервном волокне каракатицы за каждый импульс в клетку поступает 3,7 пикомоль (1 пикомоль = 10^-12 моль) натрия на 1 см² поверхности волокна. Примерно такое же количество ионов калия за один импульс выходит из клетки. По данным Флойда, суммарный перенос натрия в клетку и калия из клетки за один импульс в аксонах кальмаров составляет вели­чины от 3 до 4,5 пикомоль/см² у разных видов.

Таким образом, при каждом акте возбуждения клет­ка приобретает определенное количество ионов натрия и теряет такое же количество ионов калия. А. Ходжкиным подсчитано, что концентрационные градиенты калия

183

и натрия гигантского аксона кальмара за один нервный импульс уменьшаются на одну миллионную долю от исходной величины. Благодаря такому экономному ис­пользованию энергии градиентов клетки способны гене­рировать сотни тысяч импульсов без подзарядки своих концентрационных батарей, что и обусловливает высо­кую работоспособность и неутомляемость нерва. Но в конечном итоге диффузия натрия и калия по градиентам должна бы приводить к выравниванию концентраций этих ионов между наружным раствором и цитоплазмой. В действительности этого не наблюдается. В периоды покоя концентрационные градиенты калия и натрия вос­станавливаются в результате работы натрий-калиевого насоса, обеспечивающего перенос этих ионов против гра­диентов.

Благодаря регенеративным свойствам мембраны и тому, что величина потенциала действия определяется величиной ионных градиентов, при возбуждении клеток наблюдается ответ по типу «все или ничего». Если внеш­ний стимул способен деполяризовать мембрану до кри­тической величины, то возникает положительная обрат­ная связь — «деполяризация — проницаемость для нат­рия» и в дальнейшем потенциал действия генерируется автоматически за счет энергии ионных градиентов. Если величина ионных градиентов с течением времени не из­меняется, то и возникающие потенциалы действия будут иметь одинаковую амплитуду. При этом внешний сти­мул по отношению к энергии ионных градиентов играет лишь роль спускового механизма.

При действии подпороговых стимулов проницаемость мембраны для натрия возрастает незначительно и депо­ляризация не достигает критического значения. Деполя­ризация мембраны меньше критического уровня назы­вается местным потенциалом. Местные потенциалы не способны распространяться на значительные расстоя­ния, а затухают вблизи места своего возникновения. Эти потенциалы не подчиняются закону «все или ничего» — их амплитуда и длительность пропорциональны интен­сивности и длительности раздражения. При повторном действии подпороговых стимулов местные потенциалы мо­гут суммироваться, достигать критического значения и вызывать появление распространяющихся потенциалов действия. Таким образом, местные потенциалы могут предшествовать возникновению потенциалов действия.

184

Особенно отчетливо это наблюдается в клетках прово­дящей системы сердца, где медленная диастолическая деполяризация, развивающаяся спонтанно, вызывает по­явление потенциалов действия.

Следует отметить, что натрий-калиевый механизм ге­нерирования потенциала действия является не единст­венным. В клетках водорослей Хара реверсия мембран­ного потенциала обусловлена диффузией в клетку ионов хлора. Обнаружены также клетки, у которых реверсия мембранного потенциала обусловлена диффузией ионов кальция. К таким, в частности, относятся волокна глад­ких мышц кишечника, матки, сосудов и других полых органов.

ПРОВЕДЕНИЕ ВОЗБУЖДЕНИЯ

Потенциал действия, возникнув в одном участке нервной клетки, быстро распространяется по всей ее поверхности. Распространение потенциала действия обусловлено возникновением так называемых локальных токов, циркулирующих между возбужденным и невоз­бужденным участками клетки. В состоянии покоя внеш­няя поверхность клеточной мембраны имеет положи­тельный потенциал, а внутренняя — отрицательный. В момент возбуждения полярность мембраны изменяется на обратную: ее внешняя поверхность заряжена отри­цательно по отношению к внутренней (рис. 33). В ре­зультате этого между возбужденным и невозбужденным участками мембраны (В и H на рис. 33) имеется раз­ность потенциалов. Наличие разности потенциалов при­водит к появлению между этими участками электриче­ских токов, называемых локальными токами или токами действия. На поверхности клетки локальный ток течет от невозбужденного участка к возбужденному; внутри клетки он течет в обратном направлении. Локальный ток, как и любой электрический ток, оказывает раздра­жающее действие на соседние невозбужденные участки и вызывает увеличение проницаемости их мембран. Это приводит к снижению в них потенциала покоя. Когда деполяризация достигает критического значения, в этих участках возникают потенциалы действия, а в том участке, который ранее был возбужденным, в это время уже происходят восстановительные процессы реполяри-

185

зации. 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. В нервной системе про­хождение импульсов только в определенном направле­нии обусловлено наличием синапсов, обладающих одно­сторонней проводимостью.

Под влиянием локальных токов волна возбуждения распространяется вдоль волокна без затухания (бездекрементное проведение). Это обусловлено тем, что ло­кальные токи только деполяризуют мембрану до крити­ческого уровня, а потенциалы действия в каждом участке мембраны поддерживаются независимыми ион­ными потоками, перпендикулярными к направлению рас­пространения возбуждения.

Скорость уменьшения мембранного потенциала до критического уровня зависит от разности потенциалов между возбужденным и невозбужденным участками и от кабельных свойств волокна: электрической емкости и сопротивления мембраны, сопротивлений аксоплазмы и окружающей среды. Кабельные свойства волокна обес­печивают деполяризацию мембраны до критического уровня, а последующая диффузия натрия в клетку уси­ливает деполяризацию и обеспечивает незатухающее проведение импульса. Количественно процесс может быть представлен следующим образом. Скорость рас-

186

пространения потенциала действия определяется в ос­новном тем временем, которое необходимо для критиче­ской деполяризации мембраны. Обозначим деполяриза­цию до критического уровня ΔFi. Тогда ΔFi, емкость С мембраны и заряд Δq, необходимый для деполяризации мембраны на ΔFi, будут связаны известным из физики соотношением:

(9)

Заряд мембраны и ее потенциал изменяется вследствие протекания локального тока I. Тогда время t, в течение которого заряд мембраны изменится на Δq, а потен­циал на ΔFi, будет равно:

(10)

Из уравнений (9) и (10) получим:

(11)

Величина локального тока I по закону Ома определя­ется разностью потенциалов V между возбужденным и невозбужденным участками мембраны и сопротивлени­ем R всех участков, по которым протекает локальный ток:

(12)

Сопротивление R суммируется из сопротивлений всех последовательных участков, по которым протекает ло­кальный ток: мембраны, цитоплазмы, окружающей клет­ку жидкости. В основном оно определяется сопротивле­нием мембраны. Подставляя значение I в уравнение (11), получим:

(13)

Учитывая, что ΔFi и V величины постоянные, можно на­писать:

(14)

 где k — коэффициент пропорциональности.

187

Уравнение (14) показывает, что время деполяриза­ции мембраны и, следовательно, время проведения воз­буждения пропорциональны произведению R С, назы­ваемому постоянной времени мембраны. Тогда скорость проведения возбуждения будет обратно пропорциональ­на постоянной времени мембраны.

Согласно рассмотренной теории локальных токов, скорость проведения возбуждения должна иметь обрат­ную зависимость от сопротивления внешней среды и цитоплазмы. Это положение получило эксперименталь­ное подтверждение. Так, когда нервные волокна перено­сили из морской воды в масло, имеющее более высокое удельное сопротивление, то скорость проведения импуль­сов уменьшалась в 1,3 — 2 раза в зависимости от диа­метра волокна. Напротив, при уменьшении сопротивле­ния внешней среды путем помещения волокна на метал­лические полоски с закороченными концами скорость проведения импульса возрастала на 16%. Такой не­большой эффект обусловлен тем, что нервное волокно, имеющее цилиндрическую форму, контактирует с метал­лом на небольшом участке.

Скорость проведения импульса возрастает с увеличением диаметра волокна. Это объясняется тем, что с увеличением диаметра уменьшается сопротивление, прихо­дящееся на единицу длины волокна.

В нервных волокнах характер распространения воз­буждения зависит от наличия, или отсутствия в них миелиновых оболочек. В безмякотных волокнах возбужде­ние распространяется непрерывно вдоль всей мембраны. Все участки мембраны при этом в свое время стано­вятся возбужденными. В мякотных нервных волокнах возбуждение распространяется несколько по иному. Мякотные нервные волокна имеют толстые миелиновые оболочки, которые через 1 — 3 мм прерываются с обра­зованием так называемых перехватов Ранвье (см. рис. 33, II). В электрическом отношении миелин явля­ется изолятором; его удельное сопротивление в 10 млн. раз превышает удельное сопротивление раствора Рингера. В результате этого локальные токи через миелино­вые оболочки протекать не могут; они циркулируют между перехватами Ранвье. При возбуждении одного пе­рехвата Ранвье между ним и следующим перехватом возникают локальные токи и импульс как бы переска­кивает на второй перехват, со второго — на третий и т.д.

188

Такой способ проведения нервного импульса называется сальтаторным. При блокировании одного перехвата Ранвье каким-либо анестезирующим веществом, напри­мер кокаином, импульс сразу передается на третий пе­рехват. При блокировании сразу двух перехватов им­пульс дальше распространяться не может: сопротивле­ние между первым и четвертым перехватами велико, и локальный ток между ними не достигает порогового значения.

В результате сальтаторного способа передачи скоро­сть распространения нервного импульса в мякотных во­локнах примерно в 10 раз выше, чем в безмякотных, при одинаковом диаметре волокон. Помимо этого, сальтатор-ный способ проведения возбуждения является более эко­номичным, поскольку в этом случае ионные потоки про­ходят не через всю поверхность клетки, как при непре­рывном распространении, а только через поверхность в области перехватов Ранвье.