Потенциал действия и его распространение

Все живые клетки при действии различных раздражителей (хи­мических, механических, температурных и пр.) способны перехо­дить в возбужденное состояние. Опыт показывает, что возбужден­ный участок становится электроотрицательным по отношению к по­коящемуся, что является показателем перераспределения ионных потоков в возбужденном участке. Реверсия потенциала при возбуж­дении кратковременна, и после окончания возбуждения через неко­торое время вновь восстанавливается исходный потенциал покоя. Общее изменение разности потенциалов на мембране, происходя­щее при возбуждении клеток, называется потенциалом действия. На рис. 11.17 представлен потенциал действия гигантского аксо­на кальмара, обозначены отдельные стадии изменения потенциала. В частности, для клетки характерен так называемый запаздывающий потенциал, когда в течение некоторого времени на мембране существует даже меньший потенциал, чем потенциал покоя.

Было показано, что возбуждение связано с увеличением элек­тропроводности клеточной мембраны. При этом временная зави­симость электропроводимости повторяла форму потенциала дей­ствия. Чтобы решить вопрос, для каких ионов изменяется прони­цаемость мембраны, следует обратить внимание, что потенциал действия приводит к кратковременному возрастанию потенциала внутри клетки (см. рис. 11.17). Отрицательный относительно внешней среды потенциал становится положительным. Если по уравнению Нернста (11.38) вычислить равновесные потенциалы на мембране аксона кальмара, то получим соответственно для ионов К⁺, Na⁺ и С1^- величины -90, +46 и -29 мВ. Так как при из­менении проницаемости мембраны для какого-либо иона этот ион будет проникать через нее, стремясь создать равновесное состоя­ние, то числовые данные показывают, что внутрь клетки прони­кают ионы Na⁺, создавая там положительный потенциал. Сле­довательно, при возбуждении клетки в начальный период уве­личивается проницаемость мембран именно для ионов натрия. «Натриевая теория» возникновения потенциала действия бы­ла предложена, разработана и экспериментально подтверждена А. Ходжкином и А. Хаксли, за что в 1963 г. они были удостоены Нобелевской премии.

Измерить проницаемость мембран для какого-либо иона (иначе говоря, электропроводимость или сопротивление мембраны для этого иона) можно, если на основании закона Ома найти отноше­ние тока к напряжению, или наоборот. Практическая реализация такой задачи осложняется тем, что проницаемость (электрическое сопротивление) мембраны при возбуждении изменяется со време­нем. Это приводит к перераспределению электрического напряже­ния в цепи, и разность потенциалов на мембране изменяется. Ходжкин, Хаксли и Катц смогли создать опыт с фиксацией опре­деленного значения разности потенциала на мембране. Это позво­лило им провести измерение ионных токов и, следовательно, про ницаемости (сопротивления) мембран для ионов. Оказалось, что отношение проницаемостей мембраны для ионов натрия и калия практически повторяет форму потенциала действия. Кроме то­го, были получены кривые временной зависимости ионных токов через мемб­рану (рис. 11.18). На этом рисунке кри­вая 1 соответствует временной зависимости суммарного ионного тока через мембрану гигантского аксо­на кальмара, полученного при изменении потенциала на мембране до +56 мВ (потенциал покоя равен -60 мВ). Вначале направление тока отрицательно, что соответствует прохождению положитель­ных ионов через мембрану клетки. Было установлено, что ток этот обусловлен прохождением ионов натрия внутрь клетки, где кон­центрация их значительно меньше, чем снаружи.

Естественно, что при таком нарушении равновесия ионы ка­лия начнут перемещаться наружу, где их концентрация сущест­венно меньше. Для того чтобы выяснить, какая часть тока «на­триевая», а какая «калиевая», можно провести то же возбужде­ние, но в искусственных условиях, когда в среде, окружающей аксон, нет натрия. В этом случае (см. кривую 2) ток обусловли­вается только выходом ионов калия наружу из клетки. Разница значений тока для двух кривых показана на кривой 3: кри­вая 3 есть разность кривых 1 и 2. Она дает зависимость от вре­мени ионного тока натрия. На этой кривой часть а соответствует открыванию натриевых каналов, а б — их закрытию (инактивации).

В целом последовательность событий, происходящих на кле­точной мембране при возбуждении, выглядит следующим образом. При возбуждении в мембране открываются каналы для, ионов натрия (проницаемость мембраны возрастает более чем в 5000 раз). В результате отрицательный заряд с внутренней стороны мембраны становится положительным, что соответствует пику мембранного потенциала (фаза деполяризации мембраны). Затем поступление натрия из внешней среды прекращается. В это время натриевые каналы закрываются, но открываются калиевые. Калий проходит в соответствии с градиентом концентрации из клетки до тех пор, пока не восстановится первоначальный отрицательный заряд на мембране и мембранный потенциал не достигнет своего первоначального значения (фаза реполяризации).На са­мом деле выход ионов калия из клетки продолжается дольше, чем это требуется для восстановления потенциала покоя. В результате за пиком потенциала действия следует небольшой минимум (запаздывающий потенциал).

Ионные каналы имеют белковое происхождение (см. рис. 11.3 и 11.13). Они селективно (выборочно) пропускают ионы разного вида. Канал может быть «закрыт» (блокирован) молекулами ядов, его пропускная способность зависит от действия некоторых,лекарственных средств. Поэтому теория ионных каналов в мемб­ранах является важной частью молекулярной фармакологии.

Механизм распространения по­тенциала действия в деталях рас­сматривается в курсе нормальной физиологии. Мы же рассмотрим лишь некоторые основные положе­ния. Распространение потенциала действия вдоль нервного волокна (аксона) обусловлено возникнове­нием так называемых локальных токов, образующихся между воз­бужденным и невозбужденным уча­стками клетки. На рис. 11.19 схе­матично указаны отдельные ста­дии возникновения и распростране­ния потенциала действия. В состоя­нии покоя (рис. 11.19, а) внешняя поверхность клеточной мембраны имеет положительный потенциал, а внутренняя — отрицательный. В момент возбуждения полярность мембраны меняется на противоположную (рис. 11.19, б). В резуль­тате этого между возбужденным и невозбужденным участками мембраны возникает разность потенциалов. Наличие разности по­тенциалов и приводит к появлению между этими участками ло­кальных токов. На поверхности клетки локальный ток течет от не­возбужденного участка к возбужденному; внутри клетки он течет в обратном направлении (рис. 11.19, в). Локальный ток, как и любой электрический ток, раздражает соседние невозбужденные участки и вызывает увеличение проницаемости мембраны. Это приводит к возникновению потенциалов действия в соседних участках. В то же время в ранее возбужденном участке происходят восстановитель­ные процессы реполяризации. Вновь возбужденный участок в свою очередь становится электроотрицательным и возникающий ло­кальный ток раздражает следующий за ним участок. Этот процесс многократно повторяется и обусловливает распространение им­пульсов возбуждения по всей длине клетки в обоих направлениях (рис. 11.19, г). В нервной системе импульсы проходят лишь в опре­деленном направлении из-за наличия синапсов, обладающих одно­сторонней проводимостью.

По электрическим свойствам аксон напоминает кабель с проводящей сердцевиной и изолирующей оболочкой. Однако для того чтобы в кабеле не было значительных потерь энергии при про­текании тока, сопротивление его должно быть малым, а сопро­тивление изоляции — очень большим. В аксоне проводящим ве­ществом служит аксоплазма, т. е. раствор электролита, удельное сопротивление которого в миллионы раз больше, чем у меди или алюми­ния, из которых изготавливают обыч­ные кабели. Удельное сопротивление биомембран достаточно велико, но вследствие их малой толщины сопро­тивление изоляции «аксонного кабе­ля» в сотни тысяч раз меньше, чем у технического кабеля. По этой причине однородное нервное волокно не может проводить электрический сигнал на далекое расстояние, интен­сивность сигнала быстро затухает. Расчеты показывают, что на­пряжение на мембране волокна будет экспоненциально умень­шаться по мере удаления от места возбуждения (рис. 11.20). Если величина потенциала действия в месте возбуждения была равна Ф_mах, то на расстоянии l от этого места потенциал на мембране бу­дет равен:

где λ — постоянная длины нервного волокна, которая определяет степень затухания сигнала в аксоне по экспоненциальному зако­ну. Эту величину можно рассчитать по следующей приближенной формуле:

где d — диаметр волокна, R — поверхностное сопротивление мембраны в Ом • м² (т. е. сопротивление 1 м² ее поверхности) ир — удельное сопротивление аксоплазмы в Ом • м.

Расчеты, проведенные для аксона кальмара, показывают, что на конце аксона величина сигнала должна быть ничтожно малой. Однако существование локальных токов приводит к тому, что воз­буждение передается по нервному волокну без затухания. Это объясняется тем, что локальные токи лишь деполяризуют мемб­рану до критического уровня, а потенциалы действия в каждом участке мембраны поддерживаются независимыми ионными потоками, перпендикулярными к направлению распространения воз­буждения.

Из (11.40) видно, что с увеличением λ степень затухания сиг­нала уменьшается. Было показано, что при этом возрастает ско­рость проведения импульса, а это очень важно для жизнедеятель­ности любого организма. Величины λ и р примерно одинаковы для всех животных клеток, и поэтому увеличения постоянной длины λ можно добиться путем увеличения диаметра d аксона. Именно поэтому у кальмаров аксоны достигают «гигантских» размеров (диаметр до 0,5 мм), что обеспечивает кальмару доста­точно быстрое проведение нервного импульса и, следовательно, быстроту реакции на внешние раздражители.

У высокоорганизованных животных с развитой нервной систе­мой толстые волокна оказываются неэкономичными, и затухание сигнала предотвращается другим способом. Мембраны аксонов у них покрыты миелином — веществом, содержащим много холес­терина и мало белка (рис. 11.21). Удельное сопротивление миели­на значительно выше удельного сопротивления других биологи­ческих мембран. Помимо этого, толщина миелиновой оболочки во много раз больше толщины обычной мембраны, что приводит к возрастанию диаметра волокна и соответственно величины λ. Как видно из рис. 11.21, миелиновая оболочка не полностью покрыва­ет все волокно; оно разделено на отдельные сегменты, между ко­торыми на участках длиной около 1 мкм мембрана аксона непо­средственно соприкасается с внеклеточным раствором. Области, в которых мембрана контактирует с раствором, называют перехва­тами Ранвье. В связи с большим сопротивлением миелиновой обо­лочки по поверхности аксона токи протекать не могут, и затуха­ние сигнала резко уменьшается. При возбуждении одного узла возникают токи между ним и другими узлами. Ток, подошедший к другому узлу, возбуждает его, вызывает появление в этом месте потенциала действия, и процесс распространяется по всему во­локну. Затраты энергии на распространение сигнала по волокну, покрытому миелином, значительно меньше, чем по немиелинизированному, так как общее количество ионов натрия, проходящих через мембрану в области узлов, значительно меньше, чем если бы они проходили через всю поверхность мембраны. При некото­рых заболеваниях структура миелиновых оболочек нарушается, и это приводит к нарушению проведения нервного возбуждения. При блокировании узлов нервного волокна
анестезирующими средствами, например ядом кураре, сопротивление аксона возрастает и прохождение сигналов по нерву замедляется или совсем прекращается.

Поскольку узлы замыкаются через аксоплазму и внеклеточ­ную среду, то можно предположить, что при увеличении сопро­тивления внешней среды скорость проведения нервного импульса уменьшится. Это предположение было проверено на опыте. Нерв­ные волокна сначала помещали в морскую воду, а затем в масло с большим удельным сопротивлением. Скорость проведения им­пульса во втором случае уменьшалась в 1,5—2 раза (в зависимос­ти от диаметра волокна).

Существует некоторая формальная аналогия между распростра­нением потенциала действия по нервному волокну и электромаг­нитной волной в двухпроводной линии или коаксиальном кабеле. Однако между этими процессами имеется существенное различие. Электромагнитная волна, распространяясь в среде, ослабевает, так как растрачивает свою энергию. Волна возбуждения, прохо­дящая по нервному волокну, не затухает, получая энергию в са­мой среде (энергию заряженной мембраны). Волны, получающие энергию из среды в процессе распространения, называют авто­волнами, а среду — активно-возбудимой средой (ABC). В § 11.9 будут рассмотрены более подробно свойства автоволн, распростра­няющихся в ABC.