Электрические и физиологические проявления возбуждения

В состоянии покоя мембрана возбудимой клетки поляризована, т.е. имеется постоянная разность потенциалов между внутренней и наружной поверхностью клеточной мембраны, причем наружная сторона заряжена положительно по отношению к внутренней. Эту разность потенциалов называют потенциалом покоя. Возникновение потенциала покоя – результат работы мембранных транспортных систем.

Ионные основы возникновения потенциала покоя. Физиологической основой потенциала покоя является неравномерное распределение различных ионов (прежде всего К⁺) между вне- и внутриклеточным пространством, создаваемое непрерывной работой Na⁺/К⁺ - АТФ-азы. Закачивая в клетку ионы К⁺, и удаляя из клетки ионы Na⁺, (в соотношении 3К⁺ / 2Na⁺⁾, она создает мощнейший химический градиент этих ионов (10-15 раз) между вне- и внутриклеточным пространствами. Сам по себе, этот градиент не приводит к возникновению существенного заряда на мембране, т.к. заряд переносимых ионов одинаков, а электрогенность самой АТФ-азы невелика. Однако, возникающий градиент концентрации калия столь велик, что диффузия этого иона из клетки становится достаточно значимой. Кроме того, большая часть его «стравливается» через неспособные к инактивации К⁺ - каналы (каналы утечки).

Мембранный потенциал, возникающий в результате утечки К+, называют “равновесным калиевым потенциалом” (ЕК). Его можно рассчитать по формуле Нернста:

где R – универсальная газовая постоянная,

Т – температура (по Кельвину),

F – число Фарадея,

[К+]нар – концентрация ионов К+ снаружи клетки,

[К+]вн – концентрация ионов К+ внутри клетки.

 

Вынос дополнительного, положительного заряда наружу приводит к тому, что, наружная сторона плазматической мембраны заряжается положительно относительно своей внутренней стороны, т.е. возникает потенциал – потенциал покоя. Величина его близка к равновесному калиевому, но не равна ему. Эта разница объясняется тем, что свой вклад в формирование ПП вносят:

во-первых - поступление в клетку Na⁺ и Cl^– через неселективные ионные каналы; при этом поступление в клетку Cl^– дополнительно гиперполяризует мембрану, а поступление Na⁺ - дополнительно деполяризует ее; вклад этих ионов в формирование ПП невелик, т.к. проницаемость неселективных каналов для Cl– и Na+ в 2,5 и 25 раза ниже, чем для К⁺;

во-вторых – прямой электрогенный эффект Na⁺/К⁺ ионного насоса, возникающий в том случае, если ионный насос работает асимметрично (количество переносимых в клетку ионов K+ не равно количеству выносимых из клетки ионов Na+).

Поле, создаваемое избытком положительных ионов снаружи клетки формирует электрический градиент, который препятствует неограниченному выходу ионов К⁺ из клетки. Таким образом возникает динамическое равновесие способствующее непрерывному поддержанию определенной величины потенциала покоя.

Любая живая клетка поддерживает на мембране определенной величины потенциал. Его величина колеблется в значительных пределах, у возбудимых клеток его величина составляет обычно 60 - 90 мВ, у других тканей не превышает 10 мВ. Различные внешние воздействия, способные изменять ионную проницаемость мембраны, вызывают изменения величины ПП. Форма и последствия этих изменений зависят, при прочих равных условиях, от характеристик раздражителя.

Универсальным раздражителем для мембран возбудимых клеток является электрический ток, а все формы изменения величины ПП наблюдаются при внутриклеточном способе раздражения (с помощью электродов, один из которых введен внутрь клетки, а другой расположен на ее поверхности (см. рис.1)).

Эти формы представлены на рис 4.

При действии слабых импульсов постоянного электрического тока на мембране клетки под приложенными электродами развивается э лектротонический потенциал (ЭП) – сдвиг мембранного потенциала в сторону соответствующую полярности электрода. ЭП это пассивная реакция клетки на электрический раздражитель. Никакой физиологической реакцией клетки не проявляется, состояние ионных каналов и транспорт ионов при этом не изменяется, т.к. силы раздражителя не хватает для открытия воротного механизма канала, Поэтому ЭП не является возбуждением.

При действии более сильного тока возникает и более сильный сдвиг мембранного потенциала – локальный ответ. Локальный ответ (ЛО) – активная реакция клетки на электрический раздражитель, при котором происходит открытие потенциалчувствительных ионных каналов. Однако, транспорт ионов при этом изменяется незначительно, ток текущий через открытые каналы невелик и не способен повлиять на воротный механизм каналов находящихся вне поля действия электродов. Локальный ответ не проявляется заметной физиологической реакцией клетки, его называют местным возбуждением, т.к. это возбуждение не распространяется по мембранам возбудимых клеток. Такая форма электрической активности является основной для большинства клеток не способных к возбуждению, и реагирующих изменением мембранного потенциала только в месте действия раздражителя.

 

Рис. 4. Изменение мембранного потенциала при действии электрического тока разной силы

ЭП - электротонический потенциал,

ЛО – локальный ответ,

ПД – потенциал действия.

При достижении силы раздражителя определенной (пороговой) величины происходит быстрое, активное изменение потенциала покоя - потенциал действия (ПД), - быстрое колебание (спайк) мембранного потенциала, возникающее при возбуждении нервных, мышечных, некоторых железистых и растительных клеток; электрический сигнал, обеспечивающий быструю передачу информации в организме. Потенциал действия лежит в основе процесса возбуждения. Он характеризуется тем, что значение потенциала покоя клетки очень быстро уменьшается до 0 (деполяризация), и даже приобретает положительное значение (+20…+30 мВ), т.е. внутренняя сторона мембраны заряжается положительно относительно наружной. Затем значение МП быстро возвращается к исходному уровню. Сильная деполяризация клеточной мембраны во время ПД приводит к развитию физиологических проявлений возбуждения (сокращение, секреция и др.). Потенциал действия называют распространяющимся возбуждением, поскольку, возникнув в одном участке мембраны, он быстро распространяется во все стороны.

Механизм развития ПД практически одинаков для всех возбудимых клеток.

Ионные основы возникновения потенциала действия. В основе потенциала действия лежит увеличение проницаемости плазматической мембраны, прежде всего для ионов Na⁺, приводящее к нарушению (изменению) распределения этого иона между вне- и внутриклеточным пространством. Это изменение проницаемости вызывается действием раздражителя, который либо уменьшает заряд мембраны (деполяризует ее), что приводит к открытию воротного механизма электроуправляемых Na⁺ - каналов у места действия раздражителя, либо действует на воротный механизм хемо-управляемых Na⁺ - каналов через соответствующий рецептор.

Благодаря наличию химического градиента, через открытые каналы ионы Na⁺ свободно поступают в клетку и продолжают деполяризовать ее мембрану у места действия раздражителя. Когда величина деполяризации достигнет критической величины (порога), достаточной для открытия воротного механизма соседних каналов, процесс становится необратимым и распространяющимся.

Это состояние автоматического прогрессирующего нарушения мембранного заряда и есть суть возбуждения. Возбуждение пропорционально величине деполяризации, т.е. количеству входящих в клетку ионов, а величина деполяризации характеризуется амплитудой ПД и зависит от силы раздражителя.

Сильная и длительная деполяризация мембраны ведет к инактивации натриевых каналов и прекращению входа Na⁺. Недостаток положительно заряженных ионов (Na+) снаружи мембраны нарушает электрохимическое равновесие - потенциал покоя, что приводит к повышению калиевой проницаемости. Выход ионов калия наружу через неинактивируемые К⁺ каналы и потенциалчувствительные, управляемые К-каналы продолжается до восстановления электрохимического градиента т.е. потенциала покоя. Это фаза процесса возбуждения называется фазой реполяризацией.

Окончание процесса возбуждения и переход клетки в состояние физиологического покоя сопровождается активацией натрий - калиевого насоса перекачивающего ионы Nа⁺ из клетки, а ионы К⁺ - внутрь ее. В клетке восстанавливается способность к следующему акту возбуждения.

Таким образом, сущность процесса возбуждения заключается в следующем. Все клетки организма имеют электрический заряд, обеспечиваемый неодинаковой концентрацией анионов и катионов внутри и вне клетки. Различная концентрация анионов и катионов внутри и вне клетки является следствием работы ионных насосов и неодинаковой проницаемости клеточной мембраны для разных ионов. При действии раздражителя на клетку возбудимой ткани изменяется проницаемость ее мембраны (сначала повышается для Na⁺ и быстро возвращается к норме, затем также, но более медленно изменяется для К⁺), вследствие чего ионы быстро перемещаются в клетку и из клетки согласно электрохимическому градиенту. Эта ответная реакция возбудимой клетки на раздражение, выражающаяся в быстром перемещении ионов в клетку и из клетки согласно электрохимическому градиенту, и есть возбуждение, основой которого является потенциал покоя.

Одиночный цикл возбуждения.

К возбудимым тканям относятся только те, клетки которых генерируют потенциал действия (ПД). Это мышечные и нервные клетки. Нередко к возбудимым тканям необоснованно относят и «железистую ткань», хотя железистой ткани нет, а имеются различные железы и железистый эпителий как вид тканей. В процессе активной деятельности железы в ней действительно регистрируются биоэлектрические явления, поскольку железа как орган состоит из различных клеток: соединительной ткани, эпителиальной, мышечной. ПД проводится по мембранам нервных и мышечных клеток, с его помощью передается информация и обеспечивается управление деятельностью клеток организма.

Невозбудимыми тканями являются эпителиальная и соединительная (собственно соединительная, ретикулярная, жировая, хрящевая, костная и гемотопоэтические ткани в совокупности с кровью), клетки этих тканей хотя и способны изменять свой мембранный потенциал, но не генерируют ПД при действии на них раздражителя.

Основными физиологическими свойствами возбудимых тканей являются: возбудимость, проводимость, рефрактерность, лабильность. Специфическим свойством мышечной ткани является сократимость.

Возбудимость — это свойство некоторых тканей генерировать потенциал действия (ПД) в ответ на раздражение. Развитие ПД возможно только при действии раздражителей, которые вызывают деполяризацию клеточной мембраны. Раздражители вызывающие гиперполяризацию мембран будут приводить к процессу обратному возбуждению – торможению.

Возбудимость может быть охарактеризована кривой потенциала действия, в которой выделяют несколько фаз (рис.1 А). Отметим, что единой терминологии в классификации этих фаз нет, поэтому будем использовать наиболее часто употребляемые названия.

 

 

Рис. 1. Изменение мембранного потенциала (А) и возбудимости клетки (Б) в разные фазы потенциала действия.

 

МВ – фаза местного возбуждения;

Д – фаза деполяризации;

Р_Б – фаза быстрой реполяризации;

Р_М – фаза медленной реполяризации;

Г – фаза следовой гиперполяризации;

 

 

Н – период нормальной возбудимости;

Р_А – период абсолютной рефрактерности;

Р_О – период относительной рефрактерности;

Н₊ – период первичной экзальтации;

Н₊₊ – период экзальтации;

Н_– – период субнормальной возбудимости.

 

 

Вначале, под действием раздражителя, развивается местное возбуждение (фаза начальной деполяризации) - процесс медленной деполяризации мембраны от мембранного потенциала до критического уровня деполяризации (КУД). Если этот уровень не будет достигнут – ПД не формируется, а развивается только локальный ответ.

Разность между мембранным потенциалом покоя и критическим уровнем деполяризации называют пороговым потенциалом, его величина определяет возбудимость клетки – чем больше пороговый потенциал, тем меньше возбудимость клетки.

Время фазы начальной деполяризации очень короткое, на кривой ПД она регистрируется только при большой развертке, и чаще всего является составной частью общей фазы деполяризации. Эта фаза развивается при достижении КУД, за счет открытия всех потенциалчувствительных Na+ - каналов и лавинообразного входа ионов Na+ в клетку по градиенту концентрации (входящий натриевый ток). В результате, мембранный потенциал очень быстро уменьшается до 0, и даже приобретает положительное значение. Графически – это восходящая часть кривой потенциала действия. В результате инактивации Na+ - каналов и прекращения поступления Na+ в клетку, рост кривой ПД прекращается и начинается ее снижение. Явление изменения знака мембранного потенциала называют реверсией заряда мембраны.

По мнению некоторых исследователей, фаза деполяризации заканчивается уже тогда, когда мембранный потенциал становится равным нулю, и весь период, когда величина мембранного потенциала превышает величину 0 мВ, следует считать отдельной фазой реверсии, т.к. ионные токи, определяющие развитие этой части ПД, имеют характерные особенности.

Период времени, в течение которого мембранный потенциал имеет положительное значение, называется овершут.

Нисходящая част кривой ПД – фаза реполяризации. Она определяется выходящим калиевым током. Калий выходит через постоянно открытые каналы утечки, ток через которые резко возрастает из-за изменения электрического градиента вызванного нехваткой снаружи ионов Na+ и через потенциалочувствительные, управляемые К+- каналы, которые активируются на пике ПД.

Различают быструю и медленную реполяризацию. В начале фазы, когда активны оба типа каналов, реполяризация происходит быстро, к концу фазы, ворота потенциалочувствительных К+- каналов закрываются, интенсивность калиевого тока снижается и реполяризация замедляется. Она прекращается тогда, когда положительный заряд снаружи мембраны вырастет настолько, что окончательно затруднит выход калия из клетки.

Фазу медленной реполяризации называют иногда отрицательным следовым потенциалом, что не совсем верно, так как эта фаза не является потенциалом по определению и не является следовым процессом по механизму.

Фаза следовой гиперполяризации (следовой положительный потенциал) – увеличение мембранного потенциала выше величины потенциала покоя, которое наблюдается у нейронов. Развивается за счет остаточного калиевого тока и за счет прямого электрогенного эффекта активировавшейся Na⁺/K⁺ АТФ-азы.

Механизм наблюдаемой иногда следовой деполяризации (следовой отрицательный потенциал) до конца не ясен.