Электрические явления в возбудимых тканях

В основе процесса возбуждения лежит изменение потенциала покоя (ПП) или мембранного потенциала (МП), представляющего собой разность электрических потенциалов внутри и снаружи клетки. МП всегда отрицателен и имеет постоянные значения для каждого типа клеток. Для нейронов потенциал покоя равен минус 70мВ, для мышечного волокна - минус 90 мВ. Отрицательные значения потенциала покоя связаны с тем, что в покоящейся клетке ионы натрия и калия постоянно перемещаются через клеточную мембрану. При этом К⁺ из клетки выходит в гораздо большем количестве, чем Na⁺ входит в клетку, т.к. проницаемость мембраны для ионов К⁺ примерно в 25 раз больше, чем для ионов Na⁺. Кроме того, органические анионы из-за своих больших размеров не могут выходить из клетки. В результате в со­стоянии покоя внутри клетки оказывается больше отрицательных, а снаружи - больше положительных ионов. Возникающая разность потенциалов может быть описана уравнением Нернста:

Из уравнения следует, что, чем выше концентрация калия в среде, тем меньше величина этого соотношения и меньше соответственно величина МП, т.е. МП имеет калиевую природу. Однако расчетная величина МП всегда ниже, чем есть на самом деле. Например, по расчетам получается, что МП должен быть 90 мВ, а реально фиксируется - 70 мВ. Причина в том, что ионы натрия и хлора тоже вносят свой вклад в создание МП. В состоянии покоя открыта небольшая часть натриевых каналов (20-30 натриевых на 1000 калиевых), соответственно ионы натрия в небольших количествах могут поступать внутрь клетки. Для поддержания МП на постоянном уровне, т.е. для сохранения ионной асимметрии, служит натрий-калиевый и хлорный насос.

Несмотря на постоянную диффузию ионов МП клеток остается на одном уровне. Следовательно, кроме собственно ионных механизмов формирования мембранного потенциала, связанных с различной проницаемостью клеточной мембраны, имеет место активный механизм его поддержания. Таким механизмом являются ионные насосы, в частности натрий-калиевый насос.

Принцип работы натрий-калиевого насоса. Na/K-насос при каждом цикле переносит 3Na⁺ наружу и 2К⁺ внутрь клетки. Механизм переноса ио­нов Na⁺ и К⁺ через мембрану клетки можно представить следующим образом.

Внутри каналоподобной структуры насоса расположены активные центры (места связывания) Na⁺ и К⁺, которые поочередно вступают в контакт с внутри- и внеклеточной средой.

Принцип работы натрий-калиевого насоса: А - связывание Na⁺ и отщепление К⁺, т.к. посадочные места в таком положении обладают большим сродством к Na⁺;

Б -связывание молекулы АТФ и фосфорилирование фермента;

В - выдвижение посадочных мест во внеклеточную среду;

Г- освобождение ионов Na⁺ и связывание К⁺ (снижение сродства посадочных мест к Na⁺ и повышение - к К⁺);

Д - дефосфорилирование АТФазы;

Е - возврат системы в первоначальное состояние

Циклическое изменение конформации насоса происходит путем фосфорилирования и дефосфорилирования (присоединение и отщепление остатка фосфорной кислоты) его белковой молекулы. Этот процесс сопровождается изменением сродства мест связывания к соответствующим ионам. Места связывания, направленные внутрь клетки, имеют низкое сродство к ионам калия и высокое - к ионам натрия. Связывание трех ионов натрия приводит к изменению конформации белка и последующему связыванию АТФ и фосфорилированию фермента. Фосфорилирование фермента приводит к дальнейшему изменению конформации, в результате чего места связывания оказываются в контакте с внеклеточной средой, теряют сродство к ионам натрия и приобретают таковое к ионам калия. Связывание калия вызывает дефосфорилирование фермента и возвращает насос в первоначальное положение, а ионы калия высвобождаются во внутриклеточное пространство.

Потенциал действия. В основе возбуждения нервных и мышечных клеток лежит повышение проницаемости мембраны для ионов натрия в результате открывания натриевых ионных каналов и появления трансмембранных токов, что приводит к быстрому изменению МП в положительном направлении - потенциалу действия (ПД). Таким образом, ПД в отличие от МП имеет натриевую природу. Процесс возбуждения включает в себя генерацию ПД, его распространение и специфический ответ ткани на этот потенциал (сокращение, выделение секрета). Уровень потенциала, при котором деполяризация мембраны приводит к запуску ПД, называется порогом ПД и чаще всего составляет 50 мВ.

Разница между МП и порогом ПД называется критическим уровнем деполяризации (КУД). Чем ниже (по абсолютной величине) порог, тем меньше критический уровень деполяризации и выше возбудимость нейрона.

Фазы потенциала действия

Потенциал действия (ПД) - это высокоамплитудный, быстро распро­страняющийся по мембране сигнал, обеспечивающий передачу информации. При регистрации ПД наблюдается типичный пикообразный потенциал, в ко­тором выделяют следующие фазы (рис. 8):

- фазу деполяризации, сопровождающуюся быстрым нарастанием МП от отрицательных значений до положительного пика - овершута (пере­лета), составляющего- +30 мВ. То есть это фаза, когда происходит переза­рядка мембраны;

-фазу реполяризации, сопровождающуюся восстановлением исход- ' ного уровня МП. В ней выделяют фазу быстрой и медленной реполяризации. Фаза медленной реполяризации представлена следовыми потенциалами -следовой негативностью (гиперполяризацией) и следовой позитивностью (деполяризацией).

Проводимость плазматической мембраны для ионов натрия достигает максимума гораздо раньше, чем ПД достигает своего пика. Поэтому по достижении пика деполяризации, когда натриевые каналы уже закрыты, а К⁺ активно диффундирует из клетки, начинается процесс реполяризации. Нарастание проницаемости мембраны для ионов калия происходит гораздо медленнее, чем таковое отмечалось для ионов< натрия. Своего максимума она достигает тогда, когда реполяризация уже наполовину завершена. В резуль­тате ускоряется вторая фаза реполяризации и возникает следовая гиперполя­изация.

На фоне медленной фазы реполяризации (ее следовой негативности) происходит активация Na⁺/K⁺ насоса и возвращение потенциала мембраны в исходное состояние. Кроме Na⁺/K⁺ насоса регуляцию К⁺ в межклеточном пространстве осуществляют глиальные клетки, обладающие высокой прони- ' цаемостью для ионов калия.

При действии раздражителя недостаточной силы возникают пассивные деполяризационные изменения МП - электротонические потенциалы или локальный ответ, амплитуда которого зависит от силы раздражителя

TРефрактерные периоды

С инактивацией №⁺-каналов связана очень важная характеристика возбудимых тканей - рефрактерность - невозбудимость. Закрывшиеся натрие­вые каналы не сразу восстанавливают свою способность к активации. В связи с этим в течение всей фазы деполяризации потенциала действия и частично фазы реполяризации клетка теряет способность к возбуждению, что именуется фазой абсолютной рефрактерности - состоянием полной невозбудимости).

Постепенно натриевые каналы выходят из состояния инактивации и возбудимость нервной клетки медленно восстанавливается. Этот период времени носит название относительной рефрактерности. Однако чтобы возбудить клетку в этот период необходимо, увеличить силу раздражения. Во время следовой гиперполяризации, когда потенциал мембраны опускается ниже уровня потенциала покоя и порог возбуждения соответственно увеличивается, имеет место пониженная возбудимость - субнормальность. В случае же следовой деполяризации, когда порог возбудимости понижается, наблюдается повышенная возбудимость - экзальтация или супернормальность.

Наличие периодов абсолютной рефрактерности ограничивает максимальную частоту генерирования ПД. В этой ситуации изменения внешних сигналов кодируются лишь изменениями частоты ПД (частотный код). Так как период абсолютной рефрактерности нервной клетки составляет около 1 мс, соответственно, частота их возбуждения (лабильность) может достигать 1000 импульсов в секунду. Однако большинство возбудимых клеток имеет максимальную частоту ПД около 500 импульсов в секунду.

Форма ПД и его длительность зависит от вида возбудимой ткани. ПД нерва составляет около 1 мс, скелетной мышцы - 10 мс, клеток мио­карда - 200 мс. В одних случаях форма ПД пикообразная, в других - плато-образная. Платообразная форма ПД клеток миокарда обеспечивает ритмич­ность сердечных сокращений.