»: Потенціал спокою – це важливе явище у житті всіх клітин організму, і важливо знати, як він формується. Однак це складний динамічний процес, важкий для сприйняття цілком, особливо для студентів молодших курсів (біологічних, медичних та психологічних спеціальностей) та непідготовлених читачів. Втім, при розгляді за пунктами цілком можливо зрозуміти його основні деталі та етапи. У роботі вводиться поняття потенціалу спокою та виділяються основні етапи його формування з використанням образних метафор, що допомагають зрозуміти та запам'ятати молекулярні механізми формування потенціалу спокою.

Мембранні транспортні структури - натрій-калієві насоси - створюють передумови виникнення потенціалу спокою. Причини ці - різниця у концентрації іонів на внутрішній і зовнішній сторонах клітинної мембрани. Окремо поводиться різниця концентрації по натрію і різниця концентрації по калію. Спроба іонів калію (K+) вирівняти свою концентрацію з обох боків мембрани призводить до його витоку з клітини та втрати разом з ними позитивних електричних зарядів, за рахунок чого значно посилюється загальний негативний заряд внутрішньої поверхні клітини. Ця «калієва» негативність становить більшу частину потенціалу спокою (-60 мВ у середньому), а меншу його частину (-10 мВ) становить «обмінна» негативність, викликана електрогенністю самого іонного насоса-обмінника.

Давайте розбиратися докладніше.

Навіщо нам потрібно знати, що таке потенціал спокою та як він виникає?

Ви знаєте, що таке «тваринна електрика»? Звідки в організмі беруться "біоструми"? Як жива клітина, що у водному середовищі, може перетворитися на «електричну батарейку» і чому вона миттєво не розряджається?

На ці питання можна відповісти лише в тому випадку, якщо дізнатися, як клітина створює собі різницю електричних потенціалів(Потенціал спокою) на мембрані.

Цілком очевидно, що розуміння того, як працює нервова система, необхідно спочатку розібратися, як працює її окрема нервова клітина - нейрон. Головне, що лежить в основі роботи нейрона – це переміщення електричних зарядів через його мембрану та поява внаслідок цього на мембрані електричних потенціалів. Можна сказати, що нейрон, готуючись до своєї нервової роботи, спочатку запасає енергію в електричній формі, а потім використовує її в процесі проведення та передачі нервового збудження.

Таким чином, наш перший крок до вивчення роботи нервової системи- це зрозуміти, як з'являється електричний потенціал на мембрані нервових клітин. Цим ми і займемося, і назвемо цей процес формуванням потенціалу спокою.

Визначення поняття «потенціал спокою»

У нормі, коли нервова клітина перебуває у фізіологічному спокої та готова до роботи, у неї вже відбувся перерозподіл електричних зарядів між внутрішньою та зовнішньою сторонами мембрани. За рахунок цього виникло електричне поле, і на мембрані з'явився електричний потенціал мембранний потенціал спокою.

Таким чином, мембрана виявляється поляризованою. Це означає, що вона має різний електричний потенціал зовнішньої та внутрішньої поверхонь. Різницю між цими потенціалами цілком можливо зареєструвати.

У цьому можна переконатися, якщо ввести всередину клітини мікроелектрод, з'єднаний з установкою, що реєструє. Як тільки електрод потрапляє всередину клітини, він миттєво набуває деякого постійного електронегативного потенціалу по відношенню до електрода, розташованого в навколишній клітині рідини. Величина внутрішньоклітинного електричного потенціалу у нервових клітин та волокон, наприклад, гігантських нервових волокон кальмара, у спокої становить близько -70 мВ. Цю величину називають мембранним потенціалом спокою (МПП). У всіх точках аксоплазми цей потенціал практично однаковий.

Ноздрачов А.Д. та ін Початки фізіології.

Ще трохи фізики. Макроскопічні фізичні тіла, зазвичай, електрично нейтральні, тобто. у них у рівних кількостях містяться як позитивні, і негативні заряди. Зарядити тіло можна, створивши в ньому надлишок заряджених частинок одного виду, наприклад, тертям про інше тіло, в якому при цьому утворюється надлишок протилежного зарядів виду. Враховуючи наявність елементарного заряду ( e), повний електричний заряд будь-якого тіла можна уявити як q= ±N× eде N - ціле число.

Потенціал спокою- це різниця електричних потенціалів, що є на внутрішній та зовнішній сторонах мембрани, коли клітина перебуває у стані фізіологічного спокою.Його величина вимірюється зсередини клітини, вона негативна і становить у середньому −70 мВ (мілівольт), хоча у різних клітинах може бути різною: від −35 мВ до −90 мВ.

Важливо враховувати, що у нервовій системі електричні заряди представлені не електронами, як і звичайних металевих проводах, а іонами - хімічними частинками, мають електричний заряд. І взагалі, у водних розчинах у вигляді електричного струму переміщуються не електрони, а іони. Тому всі електричні струми в клітинах і навколишньому середовищі - це іонні струми.

Отже, зсередини клітина у спокої заряджена негативно, а зовні – позитивно. Це властиво всім живим клітинам, крім, хіба що, еритроцитів, які, навпаки, заряджені негативно зовні. Якщо говорити конкретніше, виходить, що зовні навколо клітини переважатимуть позитивні іони (катіони Na ​​+ і K +), а всередині - негативні іони (аніони органічних кислот, не здатні вільно переміщатися через мембрану, як Na + і K +).

Тепер нам лише залишилося пояснити, яким же чином все вийшло саме так. Хоча, звичайно, неприємно усвідомлювати, що всі наші клітини, крім еритроцитів, тільки зовні виглядають позитивними, а всередині вони - негативні.

Термін «негативність», який ми будемо застосовувати для характеристики електричного потенціалу всередині клітини, стане нам у нагоді для простоти пояснення змін рівня потенціалу спокою. У цьому терміні цінно те, що інтуїтивно зрозуміло наступне: чим більша негативність усередині клітини - тим нижче в негативну сторону від нуля зміщений потенціал, а чим менша негативність - тим ближчий негативний потенціал до нуля. Це набагато простіше зрозуміти, ніж щоразу розбиратися в тому, що саме означає вираз «потенціал зростає» - зростання за абсолютним значенням (або «за модулем») означатиме зміщення потенціалу спокою вниз від нуля, а просто «зростання» - зміщення потенціалу до нуля. Термін «негативність» не створює таких проблем неоднозначності розуміння.

Сутність формування потенціалу спокою

Спробуємо розібратися, звідки береться електричний заряд нервових клітин, хоча їх ніхто не тре, як це роблять фізики у своїх дослідах із електричними зарядами.

Тут дослідника і студента чекає одна з логічних пасток: внутрішня негативність клітини виникає не через появи зайвих негативних частинок(аніонів), а, навпаки, через втрати деякої кількості позитивних частинок(катіонів)!

То куди ж діваються з клітки позитивно заряджені частинки? Нагадаю, що це іони натрію - Na + - і калію - K + , що залишили клітину і скупчені зовні.

Головний секрет появи негативності усередині клітини

Відразу відкриємо цей секрет і скажемо, що клітина втрачає частину своїх позитивних частинок і заряджається негативно за рахунок двох процесів:

1. спочатку вона обмінює "свій" натрій на "чужий" калій (так-так, одні позитивні іони на інші, такі ж позитивні);
2. потім із неї відбувається витік цих «наміняних» позитивних іонів калію, разом із якими з клітини витікають позитивні заряди.

Ці два процеси нам і треба пояснити.

Перший етап створення внутрішньої негативності: обмін Na+ на K+

У мембрані нервової клітини постійно працюють білкові насоси-обмінники(аденозинтрифосфатази, або Na+/K+-АТФази), вбудовані в мембрану. Вони змінюють «власний» клітин натрій на зовнішній «чужий» калій.

Але ж при обміні одного позитивного заряду (Na+) на інший такий самий позитивний заряд (K+) ніякого дефіциту позитивних зарядів у клітині виникати не може! Правильно. Проте через цей обмін в клітині залишається дуже мало іонів натрію, тому що вони майже всі пішли назовні. І водночас клітина переповнюється іонами калію, які у неї накачали молекулярні насоси. Якби ми могли спробувати на смак цитоплазму клітини, ми б помітили, що в результаті роботи насосів-обмінників вона перетворилася з солоної на гірко-солона-кислу, тому що солоний смак хлориду натрію змінився складним смаком концентрованого розчину хлориду калію. У клітині концентрація калію сягає 0,4 моль/л. Розчини хлориду калію в межах 0,009–0,02 моль/л мають солодкий смак, 0,03–0,04 – гіркий, 0,05–0,1 – гірко-солоний, а починаючи з 0,2 і вище – складний смак , Що складається з солоного, гіркого та кислого.

Важливо тут те, що обмін натрію на калій – нерівний. За кожні віддані клітиною три іони натріювона отримує всього два іони калію. Це призводить до втрати одного позитивного заряду за кожного акту іонного обміну. Так що вже на цьому етапі рахунок нерівноцінного обміну клітина втрачає більше «плюсів», ніж отримує натомість. В електричному виразі це становить приблизно -10 мВ негативності усередині клітини. (Але пам'ятайте, що нам треба ще знайти пояснення для −60 мВ, що залишилися!)

Щоб легше було запам'ятати роботу насосів-обмінників, образно можна сказати так: "Клітка любить калій!"Тому клітина і затягує калій себе, незважаючи на те, що його і так у ній повно. І тому вона невигідно обмінює його на натрій, віддаючи 3 іони натрію за 2 іони калію. І тому вона витрачає цей обмін енергію АТФ. І як витрачає! До 70% всіх енерговитрат нейрона може йти на роботу натрій-калієвих насосів. (Ось що робить кохання, нехай воно навіть і не справжнє!)

До речі, цікаво, що клітина не народжується із готовим потенціалом спокою. Їй ще треба його створити. Наприклад, при диференціювання та злиття міобластів потенціал їхньої мембрани змінюється від −10 до −70 мВ, тобто. їхня мембрана стає більш негативною - поляризується в процесі диференціювання. А в експериментах на мультипотентних мезенхімальних стромальних клітинах кісткового мозку людини штучна деполяризація, що протидіє потенціалу спокою та зменшує негативність клітин, навіть інгібувала (пригнічувала) диференціювання клітин.

Образно кажучи, можна сказати так: Створюючи потенціал спокою, клітина «заряджається любов'ю». Це любов до двох речей:

1. любов клітини до калію (тому клітина силоміць затягує його до себе);
2. любов калію до свободи (тому калій залишає клітину, що захопила його).

Механізм насичення клітини калієм ми вже пояснили (це робота насосів-обмінників), а механізм відходу калію з клітини пояснимо нижче, коли перейдемо до опису другого етапу створення внутрішньоклітинної негативності. Отже, результат діяльності мембранних іонних насосів-обмінників на першому етапі формування потенціалу спокою такий:

1. Дефіцит натрію (Na+) у клітині.
2. Надлишок калію (K+) у клітині.
3. Поява на мембрані слабкого електричного потенціалу (-10 мВ).

Можна сказати так: на першому етапі іонні насоси мембрани створюють різницю концентрацій іонів, або градієнт (перепад) концентрації між внутрішньоклітинним і позаклітинним середовищем.

Другий етап створення негативності: витік іонів K+ із клітини

Отже, що починається в клітині після того, як з іонами попрацюють її мембранні натрій-калієві насоси-обмінники?

Через дефіцит натрію всередині клітини, що утворився, цей іон при кожному зручному випадку норовить. кинутися всередину: розчинені речовини завжди прагнуть вирівняти свою концентрацію у всьому об'ємі розчину. Але це у натрію виходить погано, оскільки іонні натрієві канали зазвичай закриті і відкриваються тільки за певних умов: під впливом спеціальних речовин (трансмітерів) або зменшення негативності в клітині (деполяризації мембрани).

У той самий час у клітині є надлишок іонів калію проти зовнішнім середовищем - оскільки насоси мембрани насильно накачали їх у клітину. І він, теж прагнучи зрівняти свою концентрацію всередині та зовні, норовить, навпаки, вийти з клітки. І це в нього виходить!

Іони калію K+ залишають клітину під дією хімічного градієнта їх концентрації з різних боків мембрани (мембрана значно більш проникна для K+, ніж для Na+) і забирають із собою позитивні заряди. Через це всередині клітини наростає негативність.

Тут ще важливо зрозуміти те, що іони натрію і калію як би не помічають один одного, вони реагують тільки на самих себе. Тобто. натрій реагує на концентрацію ж натрію, але «не звертає уваги» на те, скільки навколо калію. І навпаки, калій реагує лише на концентрацію калію та «не помічає» натрій. Виходить, що з розуміння поведінки іонів треба окремо розглядати концентрації іонів натрію та калію. Тобто. треба окремо порівняти концентрацію по натрію всередині та зовні клітини та окремо - концентрацію по калію всередині та зовні клітини, але не має сенсу порівнювати натрій з калієм, як це, буває, робиться у підручниках.

За законом вирівнювання хімічних концентрацій, що діє у розчинах, натрій «хоче» зовні увійти до клітини; туди ж його спричиняє й електрична сила (як ми пам'ятаємо, цитоплазма заряджена негативно). Хотіти він хоче, але не може, так як мембрана в звичайному станіпогано його пропускає. Натрієві іонні канали, що є в мембрані, в нормі закриті. Якщо все ж таки його заходить трошки, то клітина відразу ж обмінює його на зовнішній калій за допомогою своїх натрій-калієвих насосів-обмінників. Виходить, що іони натрію проходять через клітину як би транзитом і не затримуються у ній. Тому натрій у нейронах завжди у дефіциті.

А ось калій може легко виходити з клітини назовні! У клітці його повно, і вона втримати його не може. Він виходить назовні через спеціальні канали в мембрані - «калієві канали витоку», які в нормі відкриті і випускають калій.

К + -канали витоку постійно відкриті при нормальних значеннях мембранного потенціалуспокою та виявляють вибухи активності при зрушеннях мембранного потенціалу, які тривають кілька хвилин і спостерігаються за всіх значень потенціалу. Посилення К + -струмів витоку веде до гіперполяризації мембрани, тоді як їх пригнічення - до деполяризації. ...Проте існування канального механізму, відповідального за струми витоку, тривалий час залишалося під питанням. Тільки зараз стало ясно, що калієвий витік – це струм через спеціальні калієві канали.

Зефіров А.Л. та Сітдікова Г.Ф. Іонні канали збудливої ​​клітини (структура, функція, патологія).

Від хімічного – до електричного

А тепер – ще раз найголовніше. Ми повинні свідомо перейти від руху хімічних частинокдо руху електричних зарядів.

Калій (K+) позитивно заряджений, і тому він, коли виходить із клітини, виносить із неї не лише самого себе, а й позитивний заряд. За ним зсередини клітини до мембрани тягнуться мінуси - негативні заряди. Але вони можуть просочитися через мембрану - на відміну іонів калію - т.к. їм немає відповідних іонних каналів, і мембрана їх пропускає. Пам'ятаєте про непояснені нами −60 мВ негативності? Це і є та сама частина мембранного потенціалу спокою, який створює витік іонів калію з клітини! І це – більшість потенціалу спокою.

Для цієї складової частини потенціалу спокою є навіть спеціальна назва – концентраційний потенціал. Концентраційний потенціал - це частина потенціалу спокою, створена дефіцитом позитивних зарядів усередині клітини, що утворився рахунок витоку з неї позитивних іонів калію.

Ну, а тепер трохи фізики, хімії та математики для любителів точності.

Електричні сили пов'язані з хімічними рівняннями Гольдмана. Його окремим випадком є ​​більш просте рівняння Нернста, за формулою якого можна розрахувати трансмембранну дифузійну різницю потенціалів на основі різної концентрації іонів одного виду з різних боків мембрани. Так, знаючи концентрацію іонів калію зовні та всередині клітини, можна розрахувати калієвий рівноважний потенціал E K:

де Едо - рівноважний потенціал, R- газова постійна, Т- Абсолютна температура, F- постійна Фарадея, К + зовніш і K + внутр - концентрації іонів К + зовні і всередині клітини, відповідно. За формулою видно, що з розрахунку потенціалу порівнюються між собою концентрації іонів одного виду - K + .

Більш точно підсумкова величина сумарного дифузійного потенціалу, що створюється витіканням кількох видів іонів, розраховується за формулою Гольдмана-Ходжкіна-Катца. У ній враховано, що потенціал спокою залежить від трьох факторів: (1) полярність електричного заряду кожного іона; (2) проникності мембрани Рдля кожного іона; (3) [концентрацій відповідних іонів] всередині (всередину) та зовні мембрани (зовніш). Для мембрани аксона кальмара у спокої ставлення провідностей Р K: PNa :P Cl = 1: 0,04: 0,45.

Висновок

Отже, потенціал спокою складається з двох частин:

1. −10 мВ, які виходять від «несиметричної» роботи мембранного насоса-обмінника (адже він більше викачує із клітини позитивних зарядів (Na+), ніж закачує назад із калієм).
2. Друга частина - це постійно витікає з клітини калій, що забирає позитивні заряди. Його внесок – основний: −60 мВ. У сумі це дає шукані −70 мВ.

Що цікаво, калій перестане виходити з клітини (точніше, його вхід та вихід зрівнюються) лише за рівня негативності клітини −90 мВ. У цьому випадку зрівняються хімічні та електричні сили, що проштовхують калій через мембрану, але направляють його в протилежні сторони. Але цьому заважає постійно натрій, що підтікає в клітину, який несе з собою позитивні заряди і зменшує негативність, за яку «бореться» калій. І у результаті клітині підтримується рівноважний стан лише на рівні −70 мВ.

Ось тепер мембранний потенціал спокою остаточно сформовано.

Схема роботи Na+/K+-АТФазинаочно ілюструє «несиметричний» обмін Na+ на K+: викачування надлишкового «плюсу» у кожному циклі роботи ферменту призводить до негативного заряджання внутрішньої поверхні мембрани. Чого в цьому ролику не сказано, так це того, що АТФаза відповідальна за менш ніж 20% потенціалу спокою (-10 мВ): «негативність» (-60 мВ), що залишилася, з'являється за рахунок виходу з клітини через «калієві канали витоку» іонів K + , що прагнуть вирівняти свою концентрацію всередині клітини та поза нею.

Література

1. Jacqueline Fischer-Lougheed, Jian-Hui Liu, Estelle Espinos, David Mordasini, Charles R. Bader, et. al.. (2001). Human Myoblast Fusion Requires Expression of Functional Inward Rectifier Kir2.1 Channels . J Cell Biol. 153 , 677-686;
2. Liu J.H., Bijlenga P., Fischer-Lougheed J. et al. (1998). Роль an inward rectifier K + current і hyperpolarization in human myoblast fusion . J. Physiol. 510 , 467–476;
3. Sarah Sundelacruz, Michael Levin, David L. Kaplan. (2008). Membrane Potential Controls Adipogenic and Osteogenic Differentiation of Mesenchymal Stem Cells. PLoS ONE. 3 , E3737;
4. Павловська М.В. та Мамикін А.І. Електростатика. Діелектрики та провідники в електричному полі. Постійний струм / Електронний посібник із загального курсу фізики. СПб: Санкт-Петербурзький державний електротехнічний університет;
5. Ноздрачев А.Д., Баженов Ю.І., Бараннікова І.А., Батуєв А.С. та ін. Початки фізіології: Підручник для вузів / За ред. акад. А.Д. Ноздрачова. СПб: Лань, 2001. – 1088 с.;
6. Макаров А.М. та Луньова Л.А. Основи електромагнетизму / Фізика у технічному університеті. Т. 3;
7. Зефіров А.Л. та Сітдікова Г.Ф. Іонні канали збудливої ​​клітки (структура, функція, патологія). Казань: Арт-кафе, 2010. – 271 с.;
8. Батьківщина Т.Г. Сенсорний аналіз продовольчих товарів. Підручник для студентів ВНЗ. М.: Академія, 2004. – 208 с.;
9. Кольман Я. та Рем К.-Г. Наочна біохімія. М.: Світ, 2004. – 469 с.;
10. Шульговський В.В. Основи нейрофізіології: Навчальний посібникдля студентів ВНЗ. М.: Аспект Прес, 2000. – 277 с.

Мембранним потенціалом спокою (МПП) або потенціалом спокою (ПП) називають різницю потенціалів клітини, що спокою, між внутрішньою і зовнішньою сторонами мембрани. Внутрішня сторона мембрани клітини заряджена негативно по відношенню до зовнішньої. Приймаючи потенціал зовнішнього розчину за нуль, МПП записують зі знаком мінус. Величина МППзалежить від виду тканини та варіює від -9 до -100 мв. Отже, у стані спокою клітинна мембрана поляризована.Зменшення величини МПП називають деполяризацією,збільшення - гіперполяризацією,відновлення вихідного значення МПП-реполяризацієюмембрани.

Основні положення мембранної теорії походження МППзводяться до наступного. У стані спокою клітинна мембрана добре проникна для іонів К+ (у ряді клітин та для СГ), менш проникна для Na+ та практично непроникна для внутрішньоклітинних білків та інших органічних іонів. Іони К + дифундують з клітини за концентраційним градієнтом, а непроникні аніони залишаються в цитоплазмі, забезпечуючи появу різниці потенціалів через мембрану.

Різниця потенціалів, що виникає, перешкоджає виходу К+ з клітини і при деякому її значенні настає рівновага між виходом К+ по концентраційному градієнту і входом цих катіонів по електричному градієнту, що виник. Мембранний потенціал, при якому досягається ця рівновага, називається рівноважний потенціал.Його величина може бути розрахована з рівняння Нернста:

10 У нервових волокнах сигнали передаються за допомогою потенціалів дії, які є швидкими змінами мембранного потенціалу, що швидко поширюються вздовж мембрани нервового волокна. Кожен потенціал дії починається зі стрімкого зсуву потенціалу спокою від нормального негативного значення до позитивної величини, потім він так само швидко повертається до негативного потенціалу. При проведенні нервового сигналу потенціал дії рухається вздовж нервового волокна аж до закінчення. На малюнку показані зміни, що виникають на мембрані під час потенціалу дії, з перенесенням позитивних зарядів усередину волокна спочатку та поверненням позитивних зарядів назовні в кінці. У нижній частині малюнка графічно представлені послідовні зміни мембранного потенціалу протягом кількох 1/10000 с, що ілюструють вибуховий початок потенціалу дії і майже так само швидке відновлення. Стадія спокою. Ця стадія представлена ​​мембранним потенціалом спокою, який передує потенціалу дії. Мембрана під час цієї стадії поляризована у зв'язку з наявністю негативного мембранного потенціалу, що дорівнює -90 мВ. Фаза деполяризації. У цей час мембрана раптово стає високопроникною для іонів натрію, дозволяючи величезній кількості позитивно заряджених іонів натрію дифундувати всередину аксона. Нормальний поляризований стан -90 мВ негайно нейтралізується вступниками всередину позитивно зарядженими іонами натрію, в результаті потенціал стрімко наростає в позитивному напрямку. Цей процес називають деполяризацією, У великих нервових волокнах значний надлишок позитивних іонів натрію, що входять всередину, зазвичай призводить до того, що мембранний потенціал «проскакує» за межі нульового рівня, стаючи злегка позитивним. У деяких дрібніших волокнах, як і більшості нейронів центральної нервової системи, потенціал досягає нульового рівня, не «перескакуючи» його. Фаза реполяризації. Протягом кількох часток мілісекунди після різкого підвищення проникності мембрани для іонів натрію, натрієві канали починають закриватися, а калієві – відкриватися. Внаслідок цього швидка дифузія іонів калію назовні відновлює нормальний негативний мембранний потенціал спокою. Цей процес називають реполяризацією мембрани. потенціал дії Для більш повного розуміння факторів, що є причиною деполяризації та реполяризації, необхідно вивчити особливості двох інших типів транспортних каналів у мембрані нервового волокна: електрокерованих натрієвих та калієвих каналів. Натрієві та калієві канали. Необхідним учасником процесів деполяризації та реполяризації під час розвитку потенціалу дії у мембрані нервового волокна є електрокерований натрієвий канал. Електрокерований калієвий канал відіграє також важливу роль у збільшенні швидкості реполяризації мембрани. Обидва типи електрокерованих каналів існують додатково до Na+/K+-насосу та каналів К*/Na+-витік. Електрокерований натрієвий канал. У верхній частині малюнка показаний електрокерований натрієвий канал у трьох різних станах. Цей канал має дві брами: одні поблизу зовнішньої частини каналу, які називають активаційними воротами, інші - у внутрішній частині каналу, які називають інактиваційними воротами. У верхній лівій частині малюнка зображено стан цих воріт у спокої, коли мембранний потенціал спокою дорівнює -90 мВ. У цих умовах активаційні ворота закриті та перешкоджають надходженню іонів натрію всередину волокна. Активація каналу натрію. Коли мембранний потенціал спокою зміщується в напрямку менш негативних значень, піднімаючись від -90 мВ у бік нуля, на певному рівні (зазвичай між -70 і -50 мВ) відбувається раптова конформаційна зміна активаційних воріт, в результаті вони переходять у повністю відкритий стан . Цей стан називають активованим станом каналу, за якого іони натрію можуть вільно входити через нього всередину волокна; при цьому натрієва проникність мембрани зростає в діапазоні від 500 до 5000 разів. Інактивація натрієвого каналу. У верхній правій частині малюнку показано третій стан натрієвого каналу. Збільшення потенціалу, що відчиняє активаційні ворота, закриває інактиваційні ворота. Однак інактиваційні ворота закриваються протягом кількох десятих часток мілісекунди після відкриття активаційних воріт. Це означає, що конформаційна зміна, що призводить до закриття інактиваційних воріт, - процес повільніший, ніж конформаційна зміна, що відкриває активаційні ворота. В результаті через кілька десятих часток мілісекунди після відкриття натрієвого каналу інактиваційні ворота закриваються, і іони натрію не можуть проникати всередину волокна. З цього моменту мембранний потенціал починає повертатися рівня спокою, тобто. починається процес реполяризації. Існує інша важлива характеристика процесу інактивації натрієвого каналу: інактиваційні ворота не відкриваються повторно доти, поки мембранний потенціал не повернеться до значення, що дорівнює або близькому до рівня вихідного потенціалу спокою. У зв'язку з цим повторне відкриття натрієвих каналів зазвичай неможливе без попередньої реполяризації нервового волокна.

13Механізм проведення збудження нервовими волокнами залежить від їх типу. Існують два типи нервових волокон: мієлінові та безмієлінові. Процеси метаболізму безмієлінових волокнах не забезпечують швидку компенсацію витрати енергії. Поширення збудження йтиме з поступовим загасанням – декрементом. Декрементна поведінка збудження характерна для низькоорганізованої нервової системи. Порушення поширюється за рахунок малих кругових струмів, які виникають всередину волокна або в навколишню рідину. Між збудженими та незбудженими ділянками виникає різниця потенціалів, що сприяє виникненню кругових струмів. Струм поширюватиметься від «+» заряду до «-». У місці виходу кругового струму підвищується проникність плазматичної мембрани для іонів Na, внаслідок чого відбувається деполяризація мембрани. Між новою збудженою ділянкою і сусідньою незбудженою знову виникає різниця потенціалів, що призводить до виникнення кругових струмів. Порушення поступово охоплює сусідні ділянки осьового циліндра і поширюється остаточно аксона. У мієлінових волокнах завдяки досконалості метаболізму збудження проходить, не згасаючи, без декременту. За рахунок великого радіусу нервового волокна, обумовленого мієліновою оболонкою, електричний струм може входити і виходити з волокна лише в області перехоплення. При нанесенні роздратування виникає деполяризація у сфері перехоплення А, сусіднє перехоплення У цей час поляризовано. Між перехопленнями виникає різниця потенціалів і з'являються кругові струми. За рахунок кругових струмів збуджуються інші перехоплення, при цьому збудження поширюється сальтаторно, стрибкоподібно від одного перехоплення до іншого. Існує три закони проведення подразнення з нервового волокна. Закон анатомо-фізіологічної цілісності. Проведення імпульсів по нервовому волокну можливе лише в тому випадку, якщо не порушено його цілісність. Закон ізольованого проведення збудження. Існує ряд особливостей поширення збудження в периферичних, м'якотних та безм'якотних нервових волокнах. У периферичних нервових волокнах збудження передається лише вздовж нервового волокна, але не передається на сусідні, які знаходяться в тому самому нервовому стовбурі. У м'якотних нервових волокнах роль ізолятора виконує мієлінова оболонка. За рахунок мієліну збільшується питомий опір та відбувається зменшення електричної ємності оболонки. У безм'якотних нервових волокнах збудження передається ізольовано. Закон двостороннього проведення збудження. Нервове волокно проводить нервові імпульси у двох напрямках – доцентрово і цінно-требіжно.

14 Сінапси – це спеціалізована структура, яка забезпечує передачу нервового імпульсу з нервового волокна на ефекторну клітину – м'язове волокно, нейрон чи секреторну клітину.

Сінапси- Це місця з'єднання нервового відростка (аксона) одного нейрона з тілом або відростком (дендріт, аксоном) іншої нервової клітини (переривчастий контакт між нервовими клітинами).

Усі структури, щоб забезпечити передачу сигналу з однієї нервової структури в іншу – синапси .

Значення- Передає нервові імпульси з одного нейрона на інший => забезпечує передачу збудження по нервовому волокну (поширення сигналу).

Велика кількість синапсів забезпечує велику площу передачі інформації.

Будова синапсу:

1. Пресинаптична мембрана- належить нейрону, від якого передається сигнал.

2. Синаптична щілина, Заповнена рідиною з високим вмістом іонів Са.

3. Постсинаптична мембрана- належить клітинам, на які передається сигнал.

Між нейронами завжди існує перерва, заповнена міжтканинною рідиною.

Залежно від щільності мембран виділяють:

- симетричні(З однаковою щільністю мембран)

- асиметричні(Щільність однієї з мембран вище)

Пресинаптична мембрана покриває розширення аксона нейрона, що передає.

Розширення - синаптичний гудзик/синаптична бляшка.

На бляшці - синаптичні бульбашки (везикуль).

З внутрішньої сторони пресинаптичної мембрани – білкові/гексогональні грати(необхідна для вивільнення медіатора), в якій міститься білок - нейрін . Заповнена синаптичними бульбашками, які містять медіатор- Спеціальна речовина, що бере участь у передачі сигналів.

До складу мембрани бульбашок входить стінін (Білок).

Постсинаптична мембрана покриває ефекторну клітину. Містить білкові молекули, вибірково чутливі до медіатора даного синапсу, що забезпечує взаємодію.

Ці молекули – частина каналів постсинаптичної мембрани + ферменти (багато), здатні руйнувати зв'язок медіатора із рецепторами.

Рецептори постсинаптичної мембрани.

Постсинаптична мембрана містить рецептори, що мають спорідненість з медіатором даного синапсу.

Між ними снаптична щілина . Вона заповнена міжклітинною рідиною, що має велика кількістькальцію. Має ряд структурних особливостей - містить білкові молекули, чутливі до медіатора, що здійснює передачу сигналів.

15 Синаптична затримка проведення збудження

Для того, щоб збудження поширилося рефлекторною дугою витрачається певний час. Цей час складається з наступних періодів:

1. період тимчасово необхідний збудження рецепторів (рецептора) і проведення імпульсів збудження по аферентним волокнам до центру;

2. період часу, необхідний поширення збудження через нервові центри;

3. період часу, необхідний поширення збудження по еферентним волокнам до робочого органа;

4. латентний період робочого органа.

16 Гальмування відіграє важливу роль в обробці інформації, що надходить до ЦНС. Особливо яскраво виражена ця роль пресинаптичного гальмування. Воно точніше регулює процес збудження, оскільки цим гальмуванням можуть бути заблоковані окремі нервові волокна. До одного збудливого нейрона можуть підходити сотні і тисячі імпульсів за різними терміналями. Разом з тим кількість імпульсів, що дійшли до нейрона, визначається пресинаптичним гальмуванням. Гальмування латеральних шляхів забезпечує виділення суттєвих сигналів із фону. Блокада гальмування веде до широкої іррадіації збудження та судом, наприклад, при виключенні пресинаптичного гальмування бікукуліном.

Мембранний потенціал спокою

У спокої на зовнішній стороні плазматичної мембранирозташовується тонкий шарпозитивних зарядів, а на внутрішній стороні- Негативних. Різниця між ними називається мембранним потенціалом спокою. Якщо вважати зовнішній заряд рівним нулю, то різниця зарядів між зовнішньою і внутрішньою поверхнями у більшості нейронів виявляється близькою до -65 мВ, хоча вона може в окремих клітин варіювати від -40 до -80 мВ.

Виникнення цієї різниці зарядів обумовлено неоднаковим розподілом іонів калію, натрію і хлору всередині клітини і зовні її, а також більшою проникністю клітинної мембрани, що лежить, тільки для іонів калію.

У збудливих клітин мембранний потенціал спокою (МПП) здатний сильно змінюватися і ця здатність є основою виникнення електричних сигналів. Зменшення мембранного потенціалу спокою, наприклад, з -65 до -60 мВ, називається деполяризацією , А збільшення, наприклад, з -65 до -70 мВ, - гіперполяризацією .

Якщо деполяризація досягне деякого критичного рівня, наприклад -55 мВ, то проникність мембрани для іонів натрію на короткий час стає максимальною, вони спрямовуються в клітину і у зв'язку з цим трансмембранна різниця потенціалів стрімко зменшується до 0, а потім набуває позитивного значення. Ця обставина призводить до закриття натрієвих каналів та стрімкого виходу з клітини іонів калію через призначені тільки для них канали: у результаті відновлюється початкова величина мембранного потенціалу спокою. Ці швидко відбуваються зміни мембранного потенціалу спокою потенціалом дії. Потенціал дії є електричним сигналом, що наводиться, він швидко поширюється по мембрані аксона до самого його закінчення, причому ніде не змінює свою амплітуду.

Крім потенціалів діїу нервовій клітині, внаслідок зміни її мембранної проникності, можуть виникати місцеві або локальні сигнали: рецепторний потенціалі постсинаптичний потенціал. Їхня амплітуда значно менша, ніж у потенціалу дії, крім того, вона суттєво зменшується при поширенні сигналу. З цієї причини місцеві потенціали не можуть поширюватися по мембрані далеко від місця свого виникнення.

Роботою натрій-калієвого насоса у клітині створюється висока концентрація іонів калію, а клітинній мембрані для цих іонів є відкриті канали. Іони калію, що виходять з клітини по концентраційному градієнту, збільшують кількість позитивних зарядів на зовнішній поверхні мембрани. У клітині багато великомолекулярних органічних аніонів і тому зсередини мембрана виявляється зарядженою негативно. Всі інші іони можуть проходити через мембрану в дуже невеликій кількості, їх канали, в основному, закриті. Отже, потенціал спокою завдячує своїм походженням, головним чином, струму іонів калію з клітини. .

Нейрони вступають у контакти з певними клітинами-мішенями, причому цитоплазма контактуючих клітин не з'єднується і між ними завжди зберігається синаптична щілина.

Сучасний варіант нейронної теорії пов'язує певні частини нервової клітини з характером електричних сигналів, що виникають у них. У типовому нейроні є чотири зумовлені морфологічно області: дендрити, сома, аксон і пресинаптичне закінчення аксона. При збудженні нейрона в ньому послідовно з'являється чотири різновиди електричних сигналів: вхідний, об'єднаний, проведений та вихідний(Рис. 3.3). Кожен із цих сигналів виникає лише у певній морфологічній області.

Вхідними сигналамиє або рецепторний, або постсинаптичний потенціал. Рецепторний потенціалутворюється в закінченнях чутливого нейрона, коли на них діє певний стимул: розтягування, тиск, світло, хімічна речовинаі т.п. Дія стимулу спричиняє відкриття певних іонних каналів мембрани, а наступний струм іонів через ці канали змінює первісне значення мембранного потенціалу спокою; здебільшого відбувається деполяризація. Ця деполяризація є рецепторним потенціалом, її амплітуда пропорційна силі діючого стимулу.

Рецепторний потенціал може поширюватися від місця дії стимулу вздовж мембрани на відносно невелику відстань - амплітуда рецепторного потенціалу зменшується в міру віддалення від місця дії стимулу, а потім зрушення, що деполяризує, і зовсім зникне.

Другий різновид вхідного сигналу – постсинаптичний потенціал. Він утворюється на постсинаптичній клітині після того, як збуджена пресинаптична клітина відправить нейромедіатор. Діставшись шляхом дифузії до постсинаптичної клітини, медіатор приєднується до специфічних білків-рецепторів її мембрани, що викликає відкриття іонних каналів. Потік іонів через постсинаптичну мембрану, що виник у зв'язку з цим, змінює первісне значення мембранного потенціалу спокою – це зрушення і є постсинаптичним потенціалом.

В одних синапсах такий зсув є деполяризацією і, якщо вона досягне критичного рівня, то постсинаптичний нейрон порушується. В інших синапсах виникає протилежне за спрямованістю зрушення: постсинаптична мембрана гіперполяризується: величина мембранного потенціалу стає більшою і зменшити її до критичного рівня деполяризації стає важче. Таку клітину важко порушити, вона загальмована. Таким чином, деполяризуючий постсинаптичний потенціал є збуджуючим, А гіперполяризуючий - гальмівним. Відповідно до цього і самі синапси поділяються на збуджуючі (що викликають деполяризацію) і гальмові (що викликають гіперполяризацію).

Незалежно від того, що відбувається на постсинаптичній мембрані: деполяризація або гіперполяризація, величина постсинаптичних потенціалів завжди пропорційна кількості молекул медіатора, що подіяли, але зазвичай їх амплітуда невелика. Так само, як і рецепторний потенціал, вони поширюються вздовж мембрани дуже невелику відстань, тобто. теж належать до місцевих потенціалів.

Таким чином, вхідні сигнали представлені двома різновидами місцевих потенціалів, рецепторним та постсинаптичним, а виникають ці потенціали у строго певних областях нейрона: або у чутливих закінченнях, або у синапсах. Чутливі закінчення належать сенсорним нейронам, де рецепторний потенціал виникає під впливом зовнішніх подразників. Для інтернейронів, а також для еферентних нейронів вхідним сигналом може бути постсинаптичний потенціал.

Об'єднаний сигналможе виникнути тільки у такій ділянці мембрани, де досить багато іонних каналів для натрію. У цьому плані ідеальним об'єктом є аксонний горбок – місце відходження аксона від тіла клітини, оскільки саме тут найвища у всій мембрані щільність каналів для натрію. Такі канали є потенциалзависимыми, тобто. відкриваються лише тоді, коли вихідне значення потенціалу спокою досягне критичного рівня. Типове для середнього нейрона значення потенціалу спокою становить приблизно -65 мВ, а критичний рівень деполяризації відповідає приблизно -55 мВ. Отже, якщо вдасться деполяризувати мембрану аксонного пагорба з -65 мВ до -55 мВ, там виникне потенціал дії.

Деполяризувати мембрану здатні вхідні сигнали, тобто. або постсинаптичні потенціали, або рецепторні. У разі рецепторних потенціалів місцем виникнення об'єднаного сигналу є найближче до чутливих закінчень перехоплення Ранв'є, де найімовірніша деполяризація до критичного рівня. Кожен чутливий нейрон має безліч закінчень, що є гілками одного відростка. І, якщо в кожному з цих закінчень при дії стимулу виникає дуже невеликий по амплітуді рецепторний потенціал і поширюється до перехоплення Ранв'є зі зменшенням амплітуди, він є лише малою частиною загального зсуву, що деполяризує. Від кожного чутливого закінчення в той самий час переміщуються до найближчого перехоплення Ранв'є ці невеликі рецепторні потенціали, а в області перехоплення всі вони підсумовуються. Якщо загальна сума зсуву, що деполяризує, буде достатньою, то в перехопленні виникне потенціал дії.

Постсинаптичні потенціали, що виникають на дендритах, також невеликі, як і рецепторні потенціали і так само зменшуються при поширенні від синапсу до аксонного горбка, де може виникнути потенціал дії. Крім того, на шляху поширення постсинаптичних потенціалів по тілу клітини можуть виявитися гальмівні гіперполяризуючі синапси і тому можливість деполяризації мембрани аксонного пагорба на 10 мВ здається малоймовірною. Тим не менш, цей результат регулярно досягається в результаті сумації безлічі невеликих постсинаптичних потенціалів, що виникають одночасно в численних синапсах, утворених дендрит нейрона з закінченнями пресинаптичних клітин аксонів.

Таким чином, об'єднаний сигнал виникає, як правило, внаслідок сумації численних місцевих потенціалів, що одночасно утворилися. Така сумація відбувається в тому місці, де особливо багато потенціалзалежних каналів і тому легше досягається критичний рівень деполяризації. У разі інтеграції постсинаптичних потенціалів таким місцем є аксонний горбок, а сумація рецепторних потенціалів відбувається в найближчому від чутливих закінчень перехопленні Ранв'є (або близько розташованою до них ділянкою немієлінізованого аксона). Область виникнення об'єднаного сигналу називається інтегративною чи тригерною.

Накопичення невеликих деполяризуючих зрушень блискавично трансформується в інтегративній зоні в потенціал дії, який є максимальним електричним потенціалом клітини і виникає за принципом "все або нічого". Це правило треба розуміти так, що деполяризація нижче за критичний рівень не приносить жодного результату, а при досягненні цього рівня завжди, незалежно від сили стимулів, виявляється максимальна відповідь: третього не дано.

Проведення потенціалу дії. Амплітуда вхідних сигналів пропорційна силі стимулу, що подіяв, або кількості нейромедіатора, що виділився в синапсі - такі сигнали називають градуальними. Їх тривалість визначається тривалістю стимулу чи присутності медіатора у синаптичній щілині. Амплітуда та тривалість потенціалу дії від цих факторів не залежать: обидва ці параметри повністю визначаються властивостями самої клітини. Отже, будь-яка комбінація вхідних сигналів, будь-який варіант суммації, за єдиної умови деполяризації мембрани до критичного значення, викликає той самий стандартний зразок потенціалу дії в тригерній зоні. Він завжди має максимальну для даної клітини амплітуду і приблизно однакову тривалість, скільки б разів не повторювалися умови, що викликають його.

Виникнувши в інтегративній зоні, потенціал дії швидко поширюється мембраною аксона. Це відбувається завдяки появі локального електричного струму. Оскільки деполяризована ділянка мембрани виявляється інакше зарядженою, ніж сусідня з нею, між полярно зарядженими ділянками мембрани виникає електричний струм. Під дією цього локального струму деполяризується до критичного рівня сусідня ділянка, що спричиняє появу потенціалу дії та в ній. У разі мієлінізованого аксона такою сусідньою ділянкою мембрани є найближчий до тригерної зони перехоплення Ранв'є, потім наступний, і потенціал дії починає "перестрибувати" від одного перехоплення до іншого зі швидкістю, що досягає 100 м/с.

Різні нейрони можуть багатьом відрізнятися один від одного, але потенціали дії, що в них виникають, розрізнити дуже важко, частіше неможливо. Це вкрай стереотипний сигнал у різних клітин: сенсорних, інтернейронів, моторних. Ця стереотипія свідчить про те, що сам потенціал дії не містить жодних відомостей про природу стимулу, що породив його. Про силу стимулу свідчить частота потенціалів дії, що виникають, а визначенням природи стимулу займаються специфічні рецептори і добре впорядковані міжнейронні зв'язки.

Таким чином, потенціал дії, що виник у тригерній зоні, швидко поширюється по ходу аксона до його закінчення. Це пересування пов'язані з утворенням локальних електричних струмів, під впливом яких потенціал дії хіба що заново виникає у сусідній ділянціАксона. Параметри потенціалу дії під час проведення по аксону анітрохи змінюються, що дозволяє передавати інформацію без спотворень. Якщо аксони кількох нейронів опиняються у загальному пучку волокон, то кожному з них збудження поширюється ізольовано.

Вихідний сигналадресується іншій клітині або одночасно кільком клітинам і в переважній більшості випадків є виділенням хімічного посередника – медіатора. У пресинаптичних закінченнях аксона заздалегідь запасений медіатор зберігається у синаптичних бульбашках, які накопичуються у спеціальних ділянках – активних зонах. Коли потенціал дії досягає пресинаптичного закінчення, вміст синаптичних бульбашок шляхом екзоцитозу спорожняється в синаптичну щілину.

Хімічними посередниками передачі можуть бути різні речовини: невеликі молекули, як, наприклад, ацетилхолин чи глутамат, чи досить великі молекули пептидів – всі вони спеціально синтезуються в нейроні передачі сигналу. Потрапивши в синаптичну щілину, медіатор дифундує до постсинаптичної мембрани та приєднується до її рецепторів. Через війну зв'язку рецепторів з медіатором змінюється іонний струм через канали постсинаптичної мембрани, але це призводить до зміни значення потенціалу спокою постсинаптичної клітини, тобто. у ній виникає вхідний сигнал – у даному випадкупостсинаптичний потенціал.

Таким чином, майже в кожному нейроні, незалежно від його величини, форми і позиції, що займається в ланцюгу нейронів, можна виявити чотири функціональні області: локальну рецептивну зону, інтегративну, зону проведення сигналу та вихідну або секреторну зону(Рис. 3.3).

Електричний заряд, подібно до маси, є фундаментальною властивістю речовин. Існує два типи зарядів, умовно позначені як позитивний та негативний.

Кожна речовина має електричний заряд, величина якого може бути позитивною, негативною або дорівнювати нулю. Наприклад, електрони заряджені негативно, а протони – позитивно. Оскільки кожен атом містить один або більше електронів та рівну кількість протонів, загальне числозарядів у макроскопічному об'єкті - надзвичайно велике, але загалом такий об'єкт не заряджений чи має невеликий заряд.

Заряд електрона є за абсолютною величиною найменшим.

Електричне поле. Закон Кулону

Кожен заряджений об'єкт утворює в навколишньому просторі електричне поле. Електричне поле є видом матерії, з якої заряджені об'єкти взаємодіють друг з одним. Пробний заряд, внесений до електричного поля іншого заряду "відчуває" присутність цього поля. Він притягуватиметься до заряду, що створює електричне поле, або відштовхуватиметься від нього.

Закон Кулону визначає електричну силу F, що діє між двома точковими зарядами q 1і q 2:

k- Константа, що визначається обраними умовами; r- Відстань між зарядами.

Відповідно до закону Кулона, сила діє у напрямку лінії, що з'єднує два заряди. Величина сили, що діє на заряди, пропорційна величині кожного із зарядів і обернено пропорційна квадрату відстані між ними.

Електричне поле можна уявити у вигляді силових ліній, що показують напрямок електричних сил. Ці сили спрямовані від заряду, що він позитивний, і заряду, коли він негативний. Якщо позитивний заряд помістити в електричне поле, він піддається дії сили у напрямку поля. Негативний заряд піддається силі, спрямованій протилежно до напрямку поля.

Характеристики електричного поля

1) Напруженість електричного поля. Кожен електричний заряд виробляє довкола себе електричне поле. Якщо інший заряд qвнести в це поле, то на нього діятиме сила F,пропорційна qта напруженості електричного поля E:

Напруженість електричного поля E (або просто напруженість) у будь-якій точці визначається як електрична сила F, яка діє на позитивний заряд q, поміщений у цю точку:

E – векторна величина, тобто має як величину, так і напрямок. Одиницею виміру напруженості є вольт на метр [В/м].

Принцип накладання (суперпозиції) показує, що й електричне полі створюють безліч зарядів, сумарна напруженість визначаться додаванням напруженостей, створених кожним зарядом, за правилами складання векторів.

2) Електричний потенціал. Щоб перемістити заряд проти електричної сили, що діє на нього, необхідно виконати роботу. Ця робота не залежить від шляху переміщення заряду в електричному полі, але залежить від початкового та кінцевого положення заряду.

Якщо заряд переміщається з однієї точки в іншу проти електричної сили, то його потенційна електростатична енергія збільшується. Електричний потенціал у будь-якій точці дорівнює електростатичній потенційній енергії W p, яку має позитивний заряд qу цій точці: φ = W p /q (4).

Можна також сказати, що електричний потенціал у точці дорівнює роботі, яку необхідно здійснити проти електричних сил, щоб перемістити позитивний заряд з цієї точки на велику відстань, де потенціал електричного поля дорівнює нулю. Електричний потенціал є скалярною величиною і вимірюється у вольтах ( У).

Напруженість електричного поля є негативним градієнтом електричного потенціалу – показника зміни потенціалу з відстанню x: E → = - dφ/dx. За допомогою приладів можна виміряти різницю потенціалів, але не напруженість поля. Остання може бути обчислена, якщо використовувати залежність між E →і Δφ : де Δφ = E·l- Відстань між двома струмами електричного поля.

Мембранний потенціал спокою

Кожна клітина перетворює частину своєї метаболічної енергії на електростатичну енергію. Джерелом електричного поля клітки є плазматична мембрана. Існує різниця потенціалів між внутрішньою та зовнішньою поверхнями плазматичної мембрани. Ця різниця потенціалів називається мембранним потенціалом .

Різниця потенціалів між внутрішньою та довкіллямклітини можуть вимірюватися безпосередньо і досить точно. Для цього використовують мікроелектрод, що є скляною мікропіпеткою з діаметром кінчика до 1 мкм, Заповнену концентрованим розчином KCl. Мікроелектрод підключають до підсилювача напруги реєструючого пристрою. Можна вимірювати мембранний потенціал м'язових, нервових клітин або клітин інших тканин. Інший електрод (референтний) встановлений поверхні тканини.

Коли кінчик мікроелектроду знаходиться поза клітиною, його потенціал щодо референтного електрода дорівнює нулю. Якщо кінець електрода занурюють у клітину, проколюючи плазматичну мембрану, різниця потенціалів різко стає негативною. На шкалі вимірювального пристрою реєструється різниця потенціалів між внутрішнім і зовнішнім середовищами клітини. Ця різниця потенціалів називається трансмембранним, або мембранним потенціалом.


Якщо клітина перебуває у стані спокою, її мембранний потенціал має негативне значеннята стійку величину. Зазвичай його називають мембранним потенціалом спокою . Мембранний потенціал спокою клітин різних тканин становить від - 55 мілівольт (МВ) до - 100мВ.

За певних фізіологічних умов можуть відбуватися зміни мембранного потенціалу. Зміни його у позитивному напрямку називається деполяризацією плазматична мембрана. Зміщення мембранного потенціалу у негативному напрямку називається гіперполяризацією .

Біофізичні основи мембранного потенціалу спокою

Електричні явища в плазматичній мембрані визначаються розподілом іонів між внутрішньою і зовнішньою сторонамимембрани. З хімічного аналізу відомо, що концентрація іонів внутрішньоклітинної рідини дуже відрізняється від концентрації іонів у позаклітинній рідині. Термін "позаклітинна рідина" має відношення до всіх рідин поза клітинами (міжклітинна речовина, кров, лімфа тощо). У таблиці представлені концентрації основних іонів у м'язових клітинах ссавців та позаклітинної рідини (міллимолі на літр).

Існують значні відмінності між концентрацією основних іонів усередині та поза клітиною. Позаклітинна рідина має високу концентрацію іонів натрію та хлору. Внутрішньоклітинна рідина має високу концентрацію калію та різних органічних аніонів (A -) (заряджені групи білків).

Відмінність між концентраціями натрію та калію у позаклітинній та внутрішньоклітинній рідинах обумовлені діяльністю натрій-калієвого насоса, який викачує за один цикл 3 іона натрію з клітини та закачує 2 іона калію в клітину проти електрохімічного градієнта зазначених іонів. Основна функція натрію-калію насоса - підтримка відмінності концентрацій іонів натрію та калію з обох боків плазматичної мембрани.

У стані спокою проникність плазматичної мембрани для іонів калію значно перевищує проникність мембрани для іонів натрію. У нервових клітинахспіввідношення проникності відповідних іонів становить 1:0,04.

Цей факт дозволяє пояснювати існування мембранного потенціалу спокою.

Іони калію прагнуть залишити клітину через їхню високу внутрішню концентрацію. При цьому переміщення через мембрану внутрішньоклітинних аніонів через їх великі розміри не відбувається. Незначне надходження іонів натрію всередину клітини також компенсує вихід іонів калію назовні, оскільки проникність мембрани у спокої для іонів натрію мала.

Отже, зовні клітина набуває додатково позитивного заряду і всередині залишається надлишок негативного заряду.

Дифузія калію через мембрану – процес обмежений. Іони калію, що проникають через мембрану, створюють електричне поле, яке затримує дифузію інших іонів калію. У міру виходу з клітини калію електричне поле наростає і, зрештою, напруженість досягає такого значення, коли потік калію через мембрану припиняється. Стан, при якому потік іонів за їх концентраційним градієнтом врівноважується мембранним потенціалом, називається станом електрохімічної рівновагиіонів. Розмір такого мембранного потенціалу рівноваги визначається рівнянням Нернста (при цьому вважають, що мембрана проникна тільки для одного виду іонів ) :

R- універсальна газова постійна, T- термодинамічна температура, z- Електричний заряд іона, F- постійна Фарадея, i та o - внутрішньоклітинна та позаклітинна концентрації іонів калію відповідно.

Обчислення, засновані на рівнянні Нернста, вказують, що внутрішня та зовнішня концентрація іона хлору також відповідає стану електрохімічної рівноваги, але концентрація натрію далека від рівноваги з мембранним потенціалом мембрани.

Рівняння Нернста показує, що концентраційний градієнт іонів калію визначає величину мембранного потенціалу спокою лише першому наближенні. Розраховані величини мембранного потенціалу збігаються з експериментально отриманими лише за високої концентрації калію поза клітиною.

Більш точна величина мембранного потенціалу спокою може бути обчислена з рівняння Гольдмана-Ходжкіна, в якому враховуються концентрації та проникність мембрани для трьох основних іонів внутрішньо- та позаклітинної рідин:

Також у підтримці мембранного потенціалу спокою бере участь безпосередньо натрій-калій насос, викачуючи три іони натрію з клітини та закачуючи лише два іони калію. В результаті мембранний потенціал спокою стає більш негативним, ніж був би, якби створювався пасивним переміщенням іонів через мембрану.

Потенціал дії

Якщо через мембрану нервової або м'язової клітини проходить короткочасний електричний струм, то мембранний потенціал піддається послідовним змінам, які є специфічними та унікальними для збудливих клітин. Збудливі тканиниможна стимулювати також механічними або хімічними засобами, але в експериментальної роботизазвичай використовуються електричні стимули.

Рис. 1.Потенціал дії нервової клітки.

Потенціал дії - швидке коливання величини мембранного потенціалу, спричинене дією на збудливу клітинуелектричного чи іншого подразника.

На рис. 1 показаний потенціал дії нервової клітини, записаний за допомогою мікроелектроду. Якщо до клітини прикладають короткочасний електричний стимул, мембранний потенціал швидко зменшується до нуля. Це відхилення характеризують як фазу деполяризації в. Протягом короткого часу внутрішнє середовище клітини стає електропозитивним по відношенню до зовнішньої ( фаза реверсії мембранного потенціалу, або завершать ). Потім мембранний потенціал повертається до рівня мембранного потенціалу спокою ( етап реполяризації ) (рис.2.).

Рис. 2.Фази потенціалу дії

Тривалість потенціалу дії становить від 0,5 до 1 мілісекунди у великих нервових клітинах та кілька мілісекунд у клітинах скелетних м'язів. Загальна амплітуда – майже 100 – 120 мВ, відхилення від нульової лінії - близько 30-50 мВ.

Потенціал дії відіграє провідну роль обробці інформації в нервовій системі. Він має постійну амплітуду, яка є імовірнісною величиною. Це має велике значенняу обробці інформації нервовою системою. Кодування інтенсивності подразнення здійснюється числом потенціалів дії та частотою, з якою потенціали дії йдуть один за одним.

Біофізичні основи потенціалу дії

Потенціал дії виникає через специфічні зміни іонної проникності в плазматичній мембрані. Англійський фізіолог Ходжкін показав, що основний механізм потенціалу дії полягає у короткочасній та дуже специфічній зміні проникності мембрани для іонів натрію. Іони натрію у своїй надходять у клітину досі, поки мембранний потенціал досягне потенціалу електрохімічного рівноваги іонів натрію.

Рис. 3.Зміна проникності мембрани для іонів натрію та калію під час потенціалу дії

Проникність мембрани для натрію при дії на клітину електричного стимулу зростає приблизно в 500 разів і стає значно більшою, ніж проникність мембрани для іонів калію. У клітині різко підвищується концентрація іонів натрію. В результаті мембранний потенціал набуває позитивного значення, і потік іонів натрію в клітину сповільнюється.

Під час появи потенціалу дії відбувається деполяризація плазматичної мембрани. Швидка деполяризація мембрани під впливом електричного стимулу викликає збільшення її проникності іонів натрію. Зростання надходження іонів натрію в клітину посилює деполяризацію мембрани, що, своєю чергою, викликає подальше збільшення проникності мембрани для натрію і т.д.

Але величина мембранного потенціалу при деполяризації не досягає рівня потенціалу електрохімічної рівноваги іонів натрію. Причиною цього є зниження проникності мембрани для іонів натрію через інактивації натрієвого трансмембранного перенесенняЦей процес різко зменшує проникність мембрани для іонів натрію та зупиняє наплив натрію у клітину.

У цей момент відбувається збільшення проникності мембрани для іонів калію, що призводить до швидкого зниження величини мембранного потенціалу рівня потенціалу спокою. Проникність мембрани для іонів калію також знижується до нормального значення. Таким чином, інактивація вхідного натрієвого струму та підвищення проникності мембрани для іонів калію (вихідний струм) обмежують тривалість потенціалу дії та призводять до реполяризації мембрани.

Таким чином, протягом потенціалу дії кілька іонів натрію надходять у клітину. Але ця кількість досить невелика. Зміна концентрації іонів у великих нервових клітинах становить лише близько 1/300 000 початкової величини.

Основний механізм змін проникності мембрани обумовлений подіями в натрієвих та калієвих каналах мембрани. Стан їх воріт управляється величиною мембранного потенціалу. Натрієві канали мають два типи воріт. Один з них, звані активаційними воротами, закриті в стані спокою і відкриваються при деполяризації мембрани. Надходження іонів натрію в клітину викликає відкриття все більшого числаактиваційних воріт. Другий тип воріт натрієвих каналів - інактиваційні при деполяризації мембрани, що посилюється, поступово закриваються, що зупиняє приплив натрію в клітину. Деполяризація мембрани також спричиняє відкриття додаткового числа калієвих каналів, внаслідок чого збільшується проникність мембрани для іонів калію та відбувається реполяризація мембрани.

Рис. 4.Зміна стану натрієвих та калієвих каналів мембрани залежно від величини мембранного потенціалу

Поширення потенціалу дії

Потенціал дії поширюється вздовж мембрани нервової та м'язової клітин без зменшення амплітуди з відстанню. Цей процес обумовлений кабельними властивостямиплазматичної мембрани, тобто. здатністю проводити електричний струм на невеликі відстані. Локальний електричний струм тече в клітину в активній ділянці (де виникає потенціал дії) та з клітини – у суміжній неактивній зоні. Ці іонні струми спричиняють деякі зміни мембранного потенціалу в зоні, що прилягає до місця виникнення потенціалу дії.

Циклічний локальний струм знижує заряд мембрани в неактивній зоні та деполяризує її. Якщо деполяризація досягає порогового рівня, то зростає проникність мембрани для іонів натрію та виникає потенціал дії. Таким чином потенціал дії поширюється вздовж нервових та м'язових волокон із постійною швидкістю.

Рис. 5.Поширення потенціалу дії вздовж мембрани нервового волокна

Швидкість поширення потенціалу дії в нервових волокнах залежить від їхнього діаметра. Вона максимальна у найбільш товстих волокнах, досягаючи близько 100 метрів за секунду.

Одна з найважливіших функцій біологічної мембрани – генерація та передача біопотенціалів. Це є основою збудливості клітин, регуляції внутрішньоклітинних процесів, роботи нервової системи, регуляції м'язового скорочення, рецепції. У медицині на дослідження електричних полів, створених біопотенціалами органів та тканин, ґрунтуються діагностичні методи: електрокардіографія, електроенцефалографія, електроміографія та інші. Практикується і лікувальна дія на тканини та органи зовнішніми електричними імпульсами при електростимуляції.

У процесі життєдіяльності у клітинах та тканинах можуть виникати різниці електричних потенціалів: Δj

1) окислювально-відновлювальні потенціали – внаслідок перенесення електронів від одних молекул до інших;

2) мембранні – внаслідок градієнта концентрації іонів та перенесення іонів через мембрану.

Біопотенціали, що реєструються в організмі, - це переважно мембранні потенціали.

Мембранним потенціаломназивається різниця потенціалів між внутрішньою (цитоплазматичною) та зовнішньою поверхнями мембрани:

j м = j нар - j вн.(1)

Прогрес у дослідженні біопотенціалів обумовлений:

1) розробкою мікроелектродного методу внутрішньоклітинного виміру потенціалів;

2) створенням спеціальних підсилювачів біопотенціалів (УПТ);

3) вибором вдалих об'єктів дослідження великих клітин та серед них гігантського аксона кальмара.Діаметр аксона кальмара сягає 0,5 мм, що у 100 - 1000 більше, ніж діаметр аксонів хребетних тварин, зокрема людини. Гігантські розміри аксона мають велике фізіологічне значення - забезпечують швидку передачу нервового імпульсуз нервового волокна.

Для біофізики гігантський аксон кальмара послужив чудовим модельним об'єктом вивчення біопотенціалів. У гігантський аксон кальмара можна запровадити мікроелектрод, не завдавши аксону значних ушкоджень.

Скляний мікроелектрод є скляною мікропіпеткою з відтягнутим дуже тонким кінчиком (рис.5.1 ).

Металевий електрод такої товщини пластичний і не може проколоти клітинну мембрануКрім того, він поляризується. Для виключення поляризації електрода використовуються електроди, що неполяризуються, наприклад срібний дріт, покритий сіллю. AgClУ розчин КС1або NaCl(желатинізований агар-агаром), що заповнює мікроелектрод.

Другий електрод - електрод порівняння - розташовується у розчині біля зовнішньої поверхні клітини. Реєструючий пристрій Р, що містить підсилювач постійного струму, Вимірює мембранний потенціал:

Рис.5.1 - Мікроелектродний метод вимірювання біопотенціалів

а - скляна мікропіпетка; б – скляний мікроелектрод;

в - схема реєстрації мембранного потенціалу

Мікроелектродний метод дав можливість виміряти біопотенціали не тільки на гігантському аксоні кальмара, але і на клітинах нормальних розмірів: нервових волокнах інших тварин, клітинах скелетних м'язів, клітинах міокарда та інших.

Мембранні потенціали поділяються на потенціали спокою та потенціали дії.

Потенціал спокою- стаціонарна різниця електричних потенціалів, що реєструється між внутрішньою та зовнішньою поверхнями мембрани у незбудженому стані.

Потенціал спокою визначається різною концентрацією іонів з різних боків мембрани та дифузією іонів через мембрану.

Якщо концентрація будь-якого іона всередині клітини С вн відмінна від концентрації цього іона зовні С нар і мембрана проникна для цього іона, виникає потік заряджених частинок через мембрану, внаслідок чого порушується електрична нейтральність системи, утворюється різниця потенціалів всередині та зовні клітини j м = j нар - j вн яка перешкоджатиме подальшому переміщенню іонів через мембрану. При встановленні рівноваги вирівнюються значення електрохімічних потенціалів з різних боків мембрани: m вн = m нар .

Так як m = m 0 + RTlnC + ZFj, то

RTlnC вн + ZFj вн = RTlnC нар + ZFj нар

Звідси легко отримати формулу Нернстадля рівноважного мембранного потенціалу

j м = j нар - j вн = - RT / ZF'ln (C вн / С нар)

Якщо мембранний потенціал обумовлений перенесенням іонів К + ,для якого [К + ] вн > [К + ] нар та Z = +1, рівноважний мембранний потенціал

Для іонів Na + : вн< нар, Z = +1,

Якщо формулі Нернста перейти від натурального логарифму до десяткового, то позитивного одновалентного іона (Z = +1)

Приймемо температуру Т=300 К, тоді

Приймемо у формулі Нернста С вн /С нар ≈100, що по порядку величини відповідають експериментальним даним калію:

lg і мембранний потенціал

0,06∙2В = 0,12В = 120мВ,

що трохи більше модуля експериментально виміряних значень потенціалу спокою, і, користуючись формулами електростатики, оцінимо, скільки іонів має перейти з цитоплазми в неклітинне середовище, щоб створити таку різницю потенціалів. Радіус клітини r = 10 мкм = 10 -5 м. Питома електроємність мембрани (електромісткість на одиницю площі) Зуд =10 -2 Ф/м 2 . Площа мембрани 4πr 2 ≈ 4π∙10 -10 м 2 ≈10 -9 м 2 . Тоді електроємність мембрани

C=C уд ∙S≈10 -2 ∙10 -9 м2.

Абсолютна величина заряду кожного знака на поверхні мембрани, якщо її уявити як конденсатор,

що відповідає

Об'єм клітини

Зміна концентрації іонів у клітині внаслідок виходу з клітини 10 -17 моль іонів складе

Невелика зміна концентрації порівняно із зміною концентрації іонів калію всередині клітини становить лише 10 -4 % від концентрації калію всередині клітини. Таким чином, щоб створити рівноважний нернстовський мембранний потенціал, через мембрану має пройти зневажливо мала кількість іонів порівняно із загальною їх кількістю у клітині.

Таким чином, потенціал спокою насправді ближче до потенціалу, розрахованого за формулою Нернста для К+. Разом з тим, привертає увагу значне розходження експериментальних і теоретичних значень. Причини розбіжності у тому, що не враховано проникність мембрани для інших іонів. Одночасна дифузія через мембрану іонів К+, Na+ та С1 – враховується рівнянням Гольдмана.

Рівняння Гольдмана можна вивести із рівняння Нернста-Планку.

Перетворимо це рівняння:

URT=D відповідно до співвідношення Ейнштейна. Приймемо так зване наближення незмінного поля Гольдмана. Вважатимемо напруженість електричного поля в мембрані постійною і рівною середньому значенню градієнта потенціалу:

де l- Товщина мембрани.

Отримаємо для щільності іонного потоку через мембрану:

Позначимо Запишем

Розділимо змінні:

Проінтегруємо ліву частину диференціального рівняння в межах від 0 до 1, а праву від С нар = КС нар до С вн = КС вн (де К - коефіцієнт розподілу)

Після потенціювання

Висловимо звідси:

Враховуючи, що , отримаємо:

У стаціонарному випадку, коли різниця потенціалів – мембранний потенціал – гальмує подальше перенесення іонів через мембрану, сумарний потік різних іонів стає рівним нулю:

j K + + j Na + - j Cl - = 0

Перед jстоїть знак мінус, що враховує негативний заряд іону хлору. Однак, оскільки у створенні мембранного потенціалу беруть участь різні іони, рівновага при цьому не настає, потоки різних іонів не дорівнюють нулю окремо. Якщо врахувати лише потоки j K +і j Na +, то j K+ +j Na+ =0, або j K = - j Na +і, підставивши, отримаємо:

Оскільки,

Якщо врахувати ще й потік іонів З 1 -, то, повторивши попередні міркування, можна отримати рівняння для мембранного потенціалу, створеного потоками через мембрану трьох видів іонів, рівняння Гольдмана:

У чисельнику виразу, що стоїть під знаком логарифму, представлені концентрації [До + ] ВН, BH , але [С1 - ] НАР, а у знаменнику - [До + ] НАР, H АР,але [С1 - ] ВН, оскільки іони хлору негативно заряджені.

У стані спокою проникність мембрани для іонів К + значно більша, ніж для Na + , і більше, ніж для С1 - :

P K >> P Na , P K > P Na .

Для аксона кальмара, наприклад,

P K: P Na: P Cl = 1: 0,04: 0,45.

Переписавши рівняння Гольдмана у вигляді:

у випадку, коли проникність мембрани для іонів натрію та хлору значно менша за проникність для калію:

P Na<< P K , P Cl << P K ,

Таким чином, рівняння Нернста - окремий випадок рівняння Гольдмана.

Мембранний потенціал, розрахований за рівнянням Гольдмана, виявився по абсолютній величині меншим від мембранного потенціалу, розрахованого за формулою «Нернста» ближче до експериментальних його значень у великих клітинах. І формула Нернста, і рівняння Гольдмана не враховують активного транспорту іонів через мембрану, наявності в електрогенних мембранах (що викликають поділ зарядів, а отже і виникнення різниці потенціалів) іонних насосів, що відіграють важливу роль у підтримці іонної рівноваги в дрібних клітинах. У цитоплазматичній мембрані працюють К+-Nа+-АТФази, що перекачують калій усередину клітини, а натрій із клітини. З урахуванням роботи електрогенних іонних насосів для мембранного потенціалу було отримано рівняння Томаса:

де m - відношення кількості іонів натрію до кількості іонів калію, що перекачуються іонними насосами через мембрану. Найчастіше К + -Nа + -АТФаза працює в режимі, коли m = 3/2, m завжди більше 1. (Немає іонних насосів, що перекачують Сlтому у рівнянні Томаса відсутні члени Р Сl [Сl -].)

Коефіцієнт m > 1 посилює внесок градієнта концентрації калію у створення мембранного потенціалу, тому мембранний потенціал, розрахований за Томасом, більший за абсолютною величиною, ніж мембранний потенціал, розрахований за Гольманом, і дає збіг з експериментальними значеннями для дрібних клітин.

Порушення біоенергетичних процесів у клітині та роботи K+-Na+-АТФази призводить до зменшення |φ м|, у цьому випадку мембранний потенціал краще описується рівнянням Гольдмана.

Ушкодження клітинної мембрани призводить до підвищення проникності клітинних мембран всім іонів: до підвищення і P до, і P Na , і P сl Внаслідок зменшення відмінності проникностей абсолютне значення мембранного потенціалу | м | знижується.

Для сильно пошкоджених клітин | м | ще менше, але зберігається негативний мембранний потенціал | м | за рахунок поліаніонів, що містяться в клітині, - негативно заряджених білків, нуклеїнових кислот та інших великих молекул, які не можуть проникнути через мембрану (доннанівський потенціал).

Потенціал дії

За допомогою електричних нервових імпульсів (потенціалів дії) у живому організмі передається інформація від рецепторів до нейронів мозку та від нейронів мозку до м'язів. Живий організм є повністю електрифікованою системою. Без електрики немає життя.

Потенціал дії було відкрито раніше потенціалу спокою. Тварина електрика відома давно. Розряди електричного вугра (що відбуваються при напрузі до 600 В, зі струмом близько 60 А та тривалістю порядку мілісекунди) використовувалися медициною ще в Стародавньому Римі для лікування подагри, головного болю, епілепсії. Електричний нервовий імпульс відкрив Луїджі Гальвані, професор анатомії у м. Болонья. Результати його електрофізіологічних дослідів викладено у книзі "Трактат про сили електрики при м'язовому русі" (1791). Гальвані відкрив, що м'язові скорочення кінцівок препарованої жаби можуть викликатися електричним імпульсом і що жива система є джерелом електричного імпульсу. Велике відкриття Гальвані відіграло визначну роль у розвитку фізики, електротехніки, електрохімії, фізіології, біофізики та медицини. Однак величезна популярність ідей Гальвані призвела до їх профанацій, сліди яких залишилися до нашого часу (гальванізація трупів, гальванізм дотиків поглядів тощо), що викликало недовіру до експериментів Гальвані вчених-фізиків. Молодший сучасник Гальвані професор фізики Алессандро Вольта був затятим противником ідеї тваринного електрики (крім особливих випадків електричних риб: електричного вугра та електричного ската). У своїх експериментах він виключив біологічний об'єкт і показав, що електричний струм можна отримати при контакті набору металів, розділених електролітом (вольтів стовп). Так було відкрито хімічне джерело струму (назване, проте пізніше, на честь його наукового супротивника гальванічним елементом).

У ХІХ столітті утвердилося примітивне уявлення про поширення електричних струмів по нервах, як у проводах. Проте Гельмгольцем (друга половина ХІХ століття) було показано, що швидкість поширення нервового імпульсу становить лише 1-100 м/с, це значно менше, ніж швидкість поширення електричного імпульсу проводами до 3 10 8 м/с. Тому до кінця XIX століття гіпотеза електричної природи нервового імпульсу була відкинута більшістю фізіологів. Було висунуто припущення про поширення нервових волокон хімічної реакції. Насправді, як було показано пізніше, повільне поширення електричного нервового імпульсу пов'язане з повільною перезарядкою конденсаторів, які є клітинними мембранами, через великі опори. Постійна перезаряджання мембрани τ= RC велика, оскільки великі ємність мембрани (С) і опір R нервового волокна.

Те, що нервовий імпульс є імпульсом електричного струму, було доведено лише до середини 20-го століття, в основному в роботах англійського фізіолога А. Ходжкіна та його співробітників. У 1963 році Ходжкіну, Хакслі та Іклсу було присуджено Нобелівську премію з медицини "за оперування нервових клітин".

Потенціалом дії (ПД) називається електричний імпульс, обумовлений зміною іонної проникності мембрани і пов'язаний з поширенням нервів і м'язів хвилі збудження.

Досліди щодо дослідження потенціалу дії проведені (в основному Ходжкіним та його співробітниками) на гігантських аксонах кальмара методом мікроелектродів з використанням високоомних вимірювачів напруги, а також методом мічених атомів. На риспоказані схема дослідів та результати досліджень.

У дослідах щодо дослідження потенціалу дії використовували два мікроелектроди, введені в аксон. На перший мікроелектрод подається імпульс з амплітудою V від генератора прямокутних Г імпульсів, що змінює мембранний потенціал. Мембранний потенціал вимірюється за допомогою другого мікроелектрода високоомним реєстратором напруги Р.

Рис.5.2 - Дослідження потенціалу дії:

а – схема досвіду (Г – генератор імпульсів, Р – реєстратор напруги); б - потенціал дії (φ п м - потенціал спокою, φ рев м - потенціал реверсії, φ д м - амплітуда потенціалу дії, φ пор м - пороговий потенціал)

Збудливий імпульс викликає лише короткий час зміщення мембранного потенціалу, який швидко зникає і відновлюється потенціал спокою. У тому випадку, коли збудливий імпульс зміщується ще далі в негативну сторону, він супроводжується гіперполяризацією мембрани. Також не формується потенціал дії, коли збуджуючий імпульс позитивний (деполяризуючий), але його амплітуда менше порогового значення V nop . Однак, якщо амплітуда позитивного, деполяризуючого імпульсу виявиться більше значення V nop , м стає більше φ пор м і в мембрані розвивається процес, в результаті якого відбувається різке підвищення мембранного потенціалу і мембранний потенціал φ м навіть змінює свій знак - стає позитивним (φ вн >φ нар).

Досягши деякого позитивного значення φ рев - потенціалу реверсії, мембранний потенціал повертається до значення потенціалу спокою φ п м, зробивши щось на кшталт загасання коливання. У нервових волокнах та скелетних м'язах тривалість потенціалу дії близько 1 мс (а в серцевому м'язі близько 300 мс. Після зняття збудження ще протягом 1 -3 мс у мембрані спостерігаються деякі залишкові явища, під час яких мембрана рефрактерна (незбудлива).

Новий деполяризуючий потенціал V > V nop може спричинити утворення нового потенціалу дії лише після повного повернення мембрани у стан спокою. Причому амплітуда потенціалу дії

не залежить від амплітуди потенціалу, що деполяризує (якщо тільки V > V nop). Якщо в спокої мембрана поляризована (потенціал цитоплазми негативний по відношенню до позаклітинного середовища), то при збудженні відбувається деполяризація мембрани (потенціал усередині клітини позитивний) і після зняття збудження відбувається реполяризація мембрани.

Характерні властивості потенціалу дії:

1) наявність порогового значення деполяризуючого потенціалу;

2) закон "все або нічого", тобто, якщо деполяризуючий потенціал більший за пороговий, розвивається потенціал дії, амплітуда якого не залежить від амплітуди збуджуючого імпульсу і немає потенціалу дії, якщо амплітуда деполяризуючого потенціалу менша від порогової;

3) є період рефрактерності, незбудливості мембрани під час розвитку потенціалу дії та залишкових явищ після зняття збудження;

4) у момент збудження різко зменшується опір мембрани (у аксона кальмара від 0,1 Ом м 2 у спокої до 0,0025 Ом м 2 при збудженні).

Якщо звернутися до даних для значень рівноважних потенціалів нернстовских, створених різними іонами, природно припустити, що позитивний потенціал реверсії має натрієву природу, оскільки саме дифузія натрію створює позитивну різницю потенціалів між внутрішньою і зовнішньою поверхнями мембрани.

Можна змінювати амплітуду імпульсу потенціалу дії, змінюючи концентрацію натрію у зовнішньому середовищі. При зменшенні зовнішньої концентрації амплітуда натрію потенціалу дії зменшується, так як змінюється потенціал реверсії. Якщо з навколишнього клітину середовища повністю видалити натрій, потенціал дії взагалі виникає.

Досліди, проведені з радіоактивним ізотопом натрію, дозволили встановити, що при збудженні проникність натрію різко зростає. Якщо в стані спокою співвідношення коефіцієнтів проникності мембрани аксона кальмара для різних іонів:

P K: P Na: P Cl = 1: 0,04: 0,45

то в стані збудження:

P K: P Na: P Cl = 1: 20: 0,45

тобто, у порівнянні з незбудженим станом, при збудженні коефіцієнт проникності натрію зростає в 500 разів.

Розрахунки мембранного потенціалу реверсії за рівнянням Гольдмана, якщо в нього підставити значення проникності мембрани для збудженого стану, збігаються з експериментальними даними.

Порушення мембрани описується рівняннями Ходжкіна-Хакслі. Одне з рівнянь Ходжкіна-Хакслі має вигляд:

де I м – струм через мембрану, С м – ємність мембрани, ∑I i – сума іонних струмів через мембрану.

Електричний струмчерез мембрану складається з іонних струмів: іонів калію - I k +, натрію - I Na + та інших іонів, у тому числі Сl, так званого струму витоку I k, а також ємнісного струму. Ємнісний струм обумовлений перезарядкою конденсатора, який є мембраною, перетіканням зарядів з однієї її поверхні на іншу. Його величина визначається кількістю заряду, що перетікає з однієї обкладки на іншу за одиницю часу dq/dt, а оскільки заряд конденсатора q = С м ∆φ = С м φ м, то ємнісний струм С М . Повний мембранний струм

Згідно з теорією Ходжкіна-Хакслі, збудження елемента мембрани пов'язане зі змінами провідності мембрани для іонів Na + і К + : g K і g Na .

Провідності мембрани складним чином залежать від мембранного потенціалу та часу.

Виявлено, що, якщо підняти мембранний потенціал (м вище порогового, спочатку тече струм всередину клітини, а потім з клітини назовні).

В експериментах, проведених Ходжкіним, Хакслі, Бейкером, Шоу, було доведено, що фаза I мембранного струму пов'язана з потоком іонів натрію з довкілля(де концентрація натрію більша) у клітину (де вона менша), а фаза II пояснюється витіканням іонів калію з клітини назовні.

У своїх дослідах Ходжкін та Хакслі змінювали іонний склад навколишнього розчину. Було виявлено, що якщо зовні прибирали натрій, перша фаза мембранного струму (струм всередину клітини) пропадала. Отже, насправді перша фаза розвитку потенціалу дії пов'язана зі збільшенням проникності мембрани для іонів натрію. Потік позитивних частинок у клітину призводить до деполяризації мембрани - внутрішня поверхня її заряджається позитивно по відношенню до зовнішньої.

У другій фазі різко збільшується проникність мембрани для калію та з клітини назовні виходять позитивно заряджені іони калію, тоді як натрієвий струм зменшується. Іонний механізм розвитку потенціалу дії був остаточно доведений у вирішальному експерименті Ходжкіна, Бейкера та Шоу, в якому аксоплазму препарованого аксона замінили зовнішній розчин, а іонний склад зовнішнього розчину зробили таким же, як у нормальної аксоплазми. За такої заміни іонних складів змінила знак різниця потенціалів на мембрані. Тепер у спокої її внутрішня поверхня була заряджена позитивно по відношенню до зовнішньої. А потенціал дії виявився негативним.

Висунуто гіпотезу, що селективна (виборча) зміна іонної проникності збудженої мембрани: спочатку для Na + , а потім для К + - пояснюється тим, що в мембрані є спеціальні іонні канали. Існують окремо натрієві та калієві канали, які відкриваються та закриваються під час проходження через цю ділянку мембрани нервового імпульсу. У першій фазі – відкриваються натрієві канали, у другій фазі – калієві. Відповідно спочатку закриваються натрієві канали, а потім калієві. Відкриття та закривання іонних каналів викликається зміною мембранного потенціалу.

Один із доказів наявності в мембрані іонних каналів - існування речовин, що блокують іонні потоки через мембрану. Так, що міститься в рибі фугу тетродотоксин блокує надходження всередину клітини натрію і, таким чином, порушує передачу нервового імпульсу, що може призвести до смерті. Доведено, що тетродотоксин не впливає на проникність клітини для калію, отже, іони натрію та калію насправді проходять через різні канали. Через свою специфічну будову молекули тетродотоксину, мабуть, застряють у натрієвих каналах. Підрахувавши кількість молекул тетродотоксину, що застрягли в мембрані, вдалося визначити кількість натрієвих каналів. У різних нервових волокнах хребетних воно було різним - від 3 до 75 каналів на один квадратний мікрометр площі мембрани (для порівняння кількість молекул фосфоліпідів 2 10 6 1/мкм 2).

Був виявлений і специфічний інгібітор калієвих каналів. тетраетиламоній. Якщо обробити мембрану тетродотоксином, що блокує натрієві канали, в дослідах з фіксацією мембранного потенціалу пропадає перша фаза, а тетраетиламмоній, що припиняє перенесення через мембрану калію, викликає зникнення другої фази.

Таким чином, встановлено, що формування потенціалу дії викликається іонними потоками через мембрану: спочатку іонів натрію всередину клітини, а потім іонів калію з клітини в зовнішній розчин, що пов'язано зі зміною провідності мембрани для іонів калію і натрію.