Определение. Потенциал действия – это быстрое колебание (изменение) мембранного потенциала покоя при возбуждении.

Условием возникновения потенциала действия является изменение мембранного потенциала покоя до критического уровня деполяризации (E_c). Это тот уровень мембранного потенциала, при котором открываются, быстрые натриевые каналы, блокируемые тетродотоксином, и формируется входящий натриевый ток ионов в клетку (рис.7; рис.8). Данный процесс носит регенеративный характер: открытие одних каналов быстро способствует открытию последующих каналов. Поток ионов натрия лавинообразно нарастает и при достижении равновесного натриевого потенциала быстро обрывается за счет механизма инактивации, который хорошо выражен в натриевом быстром канале. После этого начинается постепенное открытие калиевых каналов и закрытие быстрых натриевых каналов, что приводит к восстановлению исходного уровня мембранного потенциала покоя. Восстановление исходного уровня мембранного потенциала происходит   иногда через ряд следовых потенциалов: отрицательный следовой потенциал - остаточная деполяризация и положительный следовой потенциал – остаточная гиперполяризация.

Рис.7 Фазы потенциала действия (объяснение в тексте). (Рис. взят из кн.: Фунд. и клин. физиол.М.,2004. Под ред. А.Камкина и А.Каменского)

В генезе потенциала действия различают следующие фазы.

1. Фаза медленной деполяризации, которая связана с увеличением проницаемости для ионов натрия. Транспорт ионов натрия в эту фазу происходит с участием медленных натриевых каналов, которые не блокируются тетродотоксином.

2. Фаза быстрой деполяризации. Она связана с открытием быстрых натриевых каналов, блокирующихся тетродотоксином и лавинообразным входом ионов натрия внутрь клетки. Амплитуда и крутизна этой фазы определяется как пассивными, так и активными свойствами мембраны (постоянной времени RC и системой натриевой проводимости мембраны).

3. Овершут – превышение мембранного потенциала над нулевой линией.

4. Фаза быстрой  реполяризации. В эту фазу наблюдается открытие калиевых каналов, увеличение скорости диффузии  ионов калия из клетки и закрытие быстрых натриевых каналов.

5. В некоторых типах возбудимых мембран наблюдается фаза отрицательного следового потенциала (остаточная деполяризация). Она связана с тем, что ионные токи, принимающие участие в формировании мембранного потенциала в покое, не сразу приобретают те скорости, которыми обеспечивается величина исходного мембранного потенциала. В данном случае, входящий медленный ток ионов натрия, превышает тот, который наблюдается в состоянии покоя.

6. Фаза положительного следового потенциала наблюдается по тем же причинам, которые указаны выше. В этом случае диффузионный поток ионов калия из клетки превышает ток ионов калия во время мембранного потенциала покоя (рис.7).

В процессе возбуждения (во время генерации потенциала действия) меняется возбудимость, как способность к возбуждению. В фазу медленной деполяризации она растет; в фазу быстрой деполяризации она падает; на уровне овершута она отсутствует вследствие инактивации натриевых быстрых каналов (рис.8).

Рис.8 Состояние быстрого Na⁺-канала при разных уровнях мембранного потенциала. (Рис. взят из кн.: Фунд. и клин. физиол.М.,2004.- Под ред.А.Камкина и А.Каменского)

Эта фаза получила название абсолютной рефрактерности, т.е.. полной невозбудимости. В этот период раздражители даже многократно превышающие сверхпороговую силу не могут вызвать новое возбуждение. Это имеет большое значение. Благодаря инактивации натриевой проницаемости сопротивление мембраны в этот момент больше, чем в состоянии покоя, что позволяет потенциалу действия распространяться по возбудимой мембране. В фазу быстрой реполяризации возбудимость увеличивается (фаза относительной рефрактерности). В фазу отрицательного следового потенциала возбудимость повышена – фаза экзальтации. В фазу положительного следового потенциала она ниже исходного уровня (состояния покоя) – субнормальная возбудимость (рис.10).

Такое изменение возбудимости связано с порогом деполяризации –V_m. Порог деполяризации (V_m) – эта та величина,  на которую нужно изменить мембранный потенциал покоя, чтобы достичь критического уровня деполяризации (E_c).

Если через E_m обозначить исходный уровень мембранного потенциала в состоянии покоя, а критический уровень мембранного потенциала, до которого этот потенциал должен быть повышен для возникновения потенциала действия, через E _с, то условие порогового раздражения может быть записано следующим образом:

E_c=E_m+V_m

Абсолютная величина V_m не зависит ни от характера примененного раздражителя, ни от способа его приложения к клетке. Независимость величины V_m от внешних условий раздражения позволяет сделать заключение, что возбудимость клетки является функцией разности между исходной (E_m) и критической   (E_c) величинами мембранного потенциала. Чем ближе E_m  и E_c, тем меньше пороговый потенциал (V_m), тем выше возбудимость ткани. И,  наоборот, увеличение разницы между уровнями E_m и E_c приводит к повышению порога деполяризации – понижению возбудимости. Пороговый потенциал деполяризации может приобретать одно и то же значение при различных абсолютных величинах E_m и E_c. С этих позиций становится понятным механизм изменения возбудимости при катэлектротоне, анэлектротоне  и катодической депрессии (рис.9).

Рис.9 Соотношение между исходным уровнем потенциала покоя (Е_m), критическим уровнем деполяризации (E_c) и пороговым потенциалом (V_m) в норме (а), при деполяризации (б) и гиперполяризации (в). (Рис. взят из  кн.: Фунд. и клин. физиол.М.,2004. Под ред.А.Камкина и А.Каменского)

При действии подпороговых стимулов под катодом в момент замыкания электрической цепи происходит деполяризация, как пассивный процесс, увеличивается мембранный потенциал (E_m), критический уровень мембранного потенциала (E_c) не изменяется. Это приводит к уменьшению порога деполяризации (V_m). Возбудимость повышается. Под анодом в этот момент отмечается процесс гиперполяризации, что приводит к увеличению порога деполяризации и к уменьшению возбудимости.

При катодической депрессии происходит инактивация быстрых натриевых каналов, что находит отражение в увеличении критического уровня деполяризации. Это приводит к увеличению порога деполяризации и уменьшению возбудимости.

Уровень критической деполяризации отражает состояние системы натриевой проводимости мембраны, состояние каналов. Различные факторы, которые могут вызвать блокировку каналов, изменить состояние системы натриевой проводимости, влияют на уровень критической деполяризации. Такой эффект вызывает увеличение концентрации ионов кальция. Увеличение концентрации ионов кальция в 5-20 раз в растворе Рингера значительно повышает критический уровень деполяризации. Вследствие этого порог деполяризации резко возрастает, возбудимость падает. Местные анестетики (новокаин, лидокаин и др.) подобно ионам кальция, мало изменяя исходный уровень потенциала покоя, значительно повышают критический уровень деполяризации, в результате чего пороги деполяризации возрастают, возбудимость падает.