Свойства потенциала действия

Мс

ИОННЫЕ КАНАЛЫ

Логическим продолжением изучения ионных механизмов воз­буждения нервных и мышечных клеток явилась разработка мето­дики для регистрации токов через одиночные каналы. В 1980 г. немецкие ученые Ф. Сигворс и Э. Неер с помощью метода ло­кальной фиксации смогли зарегистрировать ток через одиноч­ный натриевый канал, открытый (активированный) с помощью деполяризации мембраны. Для этого они использовали стеклян­ную микропипетку (внешний диаметр кончика 2 мкм, внутренний около 0,5 мкм), в которую втягивали с помощью небольшого ва­куума участок мембраны нервной клетки (рис. 2.11, А, Б). Кле­точная мембрана плотно контактировала с кончиком пипетки, что препятствовало утечке тока. На ограниченном микропипет­кой пространстве клеточной мембраны могли оказаться 1...2 от­дельных канала. Ток, протекающий через открытый канал, пода­вался на вход усилителя, с помощью которого напряжение на дан­ном участке мембраны фиксировалось по тому же принципу, как и в методике фиксации напряжения на всем участке мембраны нервного волокна или клетки. Оказалось,что токи через одиноч-

г

Рис. 2.11. Ионные токи одиночных ионных каналов:

А - схематическое изображение экспериментальной установки: 1- нервная клетка; 2- мик­ропипетка; 3 - усилитель; стрелкой показано подведение небольшого вакуума для приса­сывания кончика микропипетки к участку мембраны нервной клетки; Б - в увеличенном масштабе показано прикрепление с помощью небольшого вакуума кончика микропипетки к участку мембраны нервной клетки: 2- кончик микропипетки; 4-высокоомный контакт между стенками пипетки и мембраной; 5- ионные каналы; 6- клеточная мембрана; стрел­кой показано направление тока через открытый канал; В - электрические ответы одиноч­ных каналов (а): вверху - ступенчатообразный деполяризационный сдвиг мембранного по­тенциала; Г. вверху-суммарный ионный ток из 144 ответов одиночных ионных каналов; внизу — калибровка времени 60 мс

ные каналы подчиняются закону «все или ничего», имеют ступен-чатообразную форму с быстрым фронтом нарастания и спада, так­же одинаковы по амплитуде для разных каналов (рис. 2.11, В). Ин­тересно отметить, что длительность пребывания каналов в откры-

том состоянии варьирует случайным образом и в довольно ши­роких пределах. Среднее время нахождения канала в открытом состоянии составляет менее 1 мс и зависит от величины мем­бранного потенциала. Вместе с тем проводимость каналов практически не зависит от напряжения на мембране и имеет чрезвычайно низкое значение (н10 пкСм, т. е. 10 • 10 ¹² См). По­скольку проводимость — величина, обратная сопротивлению, то соответственно сопротивление одного ионного канала будет иметь огромную величину— 10^й Ом. Расчеты показывают, что в начале развития потенциала действия открытые натриевые каналы пропускают примерно 6000 ионов натрия за 1 мс. Об­щий натриевый ток, который отвечает за восходящую фазу потенциала действия, равен сумме тысяч очень слабых им­пульсных токов, обусловленных открытием отдельных натрие­вых каналов. На рис. 2.11, В продемонстрированы ответы оди­ночного натриевого канала при деполяризации мембраны мы­шечной клетки. Срабатывание каналов проявляется в виде «всплесков» тока различной длительности и разным временем открывания от начала деполяризации.

На рисунке 2.11, Г представлен суммарный ток, полученный в результате сложения 144 ответов одного и того же участка мембра­ны. Динамика этого тока отражает распределение во времени от­крывания одиночных каналов на деполяризацию. Хорошо видно, что она сходна с временным ходом общего, макроскопического натриевого тока через мембрану в режиме фиксации напряжения при деполяризации мембраны (см. рис.2.10).

Таким образом, функционирование ионных каналов, обеспе­чивающих генерацию потенциалов действия, зависит от величины напряжения на мембране; данный тип каналов получил название потенциалзависимых или потенциалуправляемых. Потенциалза-висимый канал представляет собой гликопротеид, находящийся в липидном бислое мембраны (рис. 2.12). Канал структурно связан с другими мембранными белками и элементами цитоскелета клет­ки. Макромолекула натриевого канала включает 1800...4000 ами­нокислот, организованных в одну или несколько полипептидных цепей с сотнями ковалентно связанных полисахаридных остатков на наружной поверхности. Гидрофильные аминокислоты высти­лают стенки поры, а гидрофобные контактируют с липидами би-слоя. В канале выделяют внутреннее и наружное устья, пору, ко­торая с помощью специального механизма может открываться и закрываться, и селективный фильтр, являющийся самой узкой ча­стью поры для прохода ионов. Механизм, ответственный за от­крывание канала, получил название воротного и представляет собой некую заряженную структуру. Вероятно, в покое потен-циалзависимый канал (например, натриевый канал) механически закрыт этой заряженной структурой. При деполяризации мембра­ны размеры или расположение этой структуры изменяются так, что

Рис. 2.12. Схематическое изображе- /

ние потенциалактивируемого ионно­го канала:

А — наружная среда; Б — внутриклеточ­ная среда; 1 — липидный бислой; 2,3 — воротный механизм (2 — сенсор на­пряжения, 3 — «ворота»); 4 — белковая макромолекула; 5 — якорный белок; б—углеводная цепочка; 7—селектив­ный фильтр; 8— пора для прохода ионов

канал открывается. В поль­зу того, что в канале проис­ходят подобного вида пере­стройки, указывает регист- g рация так называемых «во­ротных токов», возникаю­щих при движении участ­ков молекул, имеющих за­ряженные группы. Измене­ния потенциала на мебране на сотые доли вольта могут существенно повлиять на расположение участков молекул, имею­щих заряженные группы. В частности, деполяризация на 40...50 мВ обычно приводит к открыванию большей части каналов в мембра­не. Толщина бислоя мембраны, в котором находятся каналы, со­ставляет около 10 нм (Ю^-8 см). Значит, при деполяризации на 50 мВ через этот бислой возникает изменение напряжения, рав­ное 5 • 10~² В на Ю^-6 см, или 50000 В/см. Несомненно, что заря­женные группы белков — каналов будут реагировать на такие из­менения напряжения и отвечать на них пространственными пере­стройками каких-то участков белковых молекул.

Существенный вклад в изучение природы токов через возбуди­мые мембраны внесли фармакологические исследования. Были найдены химические вещества (химические инструменты), кото­рые избирательно (селективно) могли блокировать натриевый и калиевый ток — натриевые и калиевые каналы. Так, тетродоток-син — вещество, выделенное из внутренних органов рыбы игло­брюха (рыбы, обитающей у берегов Японии), способен входить в натриевые каналы и блокировать их. Опыты, проведенные на раз-ничных видах нервных клеток, показали, что тетродотоксин пол-i юстью подавляет потенциалзависимую натриевую проводимость, возникшую в норме при деполяризации; в то же время задержан­ный калиевый ток оставался неизменным. Кинетические особен­ности блокирования натриевых каналов свидетельствуют о том, что каждая молекула тетродотоксина связывается с одним кана-юм. Для калиевых каналов также был найден селективный бло-катор — им оказался тетраэтиламмоний. Действие ионов тетра-

этиламмония при генерации потенциалов действия проявля­лось в замедлении спада нисходящей части потенциала действия и увеличении его длительности. На функционирование натри­евых каналов тетраэтиламмоний не оказывал влияния. Следует отметить, что с тех пор как Ходжкин и Хаксли выдвинули свою ионную гипотезу возбуждения, согласно которой в аксоне каль­мара существуют каналы, избирательно пропускающие ионы натрия и калия, в многочисленных опытах на нервных клетках беспозвоночных и позвоночных животных были найдены дру­гие типы электровозбудимых каналов для натриевых и калиевых ионов, а также для ионов кальция и хлора. Кроме того, была об­наружена большая группа каналов, работа которых управляется различными химическими веществами.

Экспериментальные данные о прохождении ионных токов через электровозбудимую мембрану позволяют проследить пос­ледовательность возникновения потенциала действия. Первым этапом является деполяризация мембраны (снижение потенци­ала покоя) с помощью раздражителя. По мере того как мемб­ранный потенциал приближается к пороговому уровню, начи­нают открываться натриевые каналы и возникает входящий ток, переносимый ионами натрия. В том случае, если мембранный потенциал ниже порогового, выход ионов калия через калиевые каналы, которые в большом количестве открыты в состоянии покоя, компенсирует вход положительных зарядов, обусловлен­ных натриевым током, и потенциалы действия не возникают. Пороговое же значение мембранного потенциала заключается в том, что вход ионов натрия начинает преобладать над выходом ионов калия. Достигнув порогового значения, входящий ток вызывает еще большую деполяризацию мембраны. Эта депо­ляризация приобретает самоускоряющийся регенеративный ха­рактер: вход в клетку положительных зарядов приводит к сдви­гу внутриклеточного потенциала в положительную сторону, при этом открываются новые натриевые каналы, вход ионов натрия усиливается и внутренняя поверхность клеточной мембраны становится еще более положительной.

Эти процессы обусловливают фазу нарастания потенциала дей­ствия. По мере того как мембранный потенциал приближается к равновесному потенциалу для ионов натрия, ЭДС, действующая на ионы натрия и равная разности между значением мембранного потенциала и равновесным натриевым потенциалом, все более снижается. Вследствие этого скорость изменения потенциала дей­ствия начинает снижаться, и так до тех пор, пока амплитуда по­тенциала действия не достигнет максимального значения, равного равновесному потенциалу для ионов натрия. Максимальное зна­чение потенциала действия примерно на 120 мВ положительнее, чем потенциала покоя. Следовательно, в результате самоускоряю­щейся деполяризации мембраны первичная пороговая деполяри-

зация (составляющая около 20 мВ), названная пассивной деполя­ризацией, усиливается в 5...6 раз. При достижении максимального значения потенциала действия начинается закрывание (инактива­ция) натриевых каналов. Казалось бы, этого процесса было доста­точно для постепенного уменьшения потенциала действия и вос­становления исходного мембранного потенциала. Однако процесс ускоряется благодаря дополнительному открыванию потенциал-зависимых калиевых каналов. Увеличение числа открытых ка­лиевых каналов способствует выходу ионов калия из клетки и соответственно удалению положительных зарядов. Происходит более быстрое возвращение (реполяризация) мембранного потен­циала к исходному уровню. Повышенная проводимость для ионов калия сохраняется еще некоторое время (мс), поэтому мембран­ный потенциал становится в этот период более электроотри­цательным, чем в исходном состоянии (следовая гиперполяри­зация). После окончания потенциала действия Na⁺ — K⁺ насос восстанавливает исходную внутриклеточную концентрацию ионов калия и натрия.

Благодаря теории ионного возбуждения Ходжкина — Хаксли, что является существенным доказательством ее правильности, ста­ло возможным объяснить с помощью основных ее положений свойства потенциала действия, а также механизмы его распрост­ранения в нервных и мышечных клетках.

Аккомодация. Закон раздражения Дюбуа-Реймона. Как было вы­яснено, для того чтобы возник потенциал действия, необходимо деполяризовать мембрану до порогового значения. Однако ни по­роговый раздражающий ток, ни пороговый потенциал не имеют определенной величины, поскольку зависят от нескольких факто­ров, в том числе и от скорости деполяризации мембраны. Зависи­мость порога возникновения потенциала действия от скорости на­растания раздражающего тока получила название закона раздражения Дюбу а-Р е й м о н а, суть которого состо­ит в том, что для достижения порога раздражения сила тока долж­на нарастать с определенной скоростью. При медленном нараста­нии силы тока возбуждение не наступает (рис. 2.13). Это явление, названное аккомодацией, связано со свойствами инактивации (закрывания) натриевых каналов и активации калиевых кана­лов при длительной деполяризации. В частности, повышение мембранного потенциала к пороговому уровню вызывает откры­вание натриевых каналов и соответственно возникновение входя­щего, натриевого тока. Однако, если скорость этого процесса не­достаточна, часть натриевых каналов успевает закрыться. В то же время при деполяризации происходит активация калиевых кана-

■* Рис. 2.13. Схема, поясняющая аккомода­цию в электровозбудимой мембране: А — кривая повышения порога возбуждения; 1...4— нарастание силы раздражающего им- 4 пульса с различной скоростью

Время

лов, у которых в отличие от натриевых инактивация не происхо­дит. Таким образом, ослабляется входящий натриевый ток и уси­ливается выходящий калиевый ток. Все это замедляет или блоки­рует развитие регенеративного процесса.

°0 3,2

Закон длительности раздражения. Закон Дюбуа-Реймона тесно связан с другим необходимым условием наступления возбужде­ния — определенной длительности раздражения. Исследованию данной проблемы были посвящены многочисленные работы, на­чатые еще в конце XIX в., экспериментальные данные которых позволили сделать вывод, что порог возбуждения не может быть достигнут, если раздражение длится очень долго, но сила его мала, или сила раздражения велика, но действует очень короткий про­межуток времени. Кривая, выражающая зависимость необходи­мой силы тока от времени раздражения нервного волокна, имеет вид гиперболы и никогда полностью не приближается к осям координат (рис. 2.14). Начиная с некоторого момента кривая идет параллельно оси абсцисс — оси времени, т. е. сила ниже порого-

О 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 Длительность, мс

Рис. 2.14. Кривая «сила — длительность» для возникновения потенциала в нерве:

/: по оси ординат — реобаза, по оси абсцисс — полезное время; //: по оси ординат — двойная реобаза, по оси абсцисс — хронаксия

вой не вызывает возбуждения ни при какой длительности раздра­жения — время бесполезно. И наоборот, начиная с пороговой силы, время становится значимым (полезным) для раздражения. По су­ществу, «полезное время» — это критическая длительность дейст­вия наименьшего тока, способного вызвать возбуждение. Примени­мо к нервной или мышечной клетке это возникновение потенциала действия. Для того чтобы импульс тока мог изменить мембранный потенциал и вызвать потенциал действия, через мембрану должно пройти некоторое минимальное количество электричества Q, кото­рое, как известно, измеряется как произведение силы тока /на вре­мя t: Q = It. Из соотношения следует, что по мере сокращения дли­тельности тока необходимо увеличить его силу, чтобы он сохранял эффективность в качестве раздражителя.

Для импульсов большой длительности существует некоторая минимальная сила тока, достаточная для возбуждения. Более сла­бый ток из-за того что мембрана в покое имеет определенную проводимость для ионов калия, не способен вызвать необходимое смещение трансмембранной разности потенциалов и запустить регенеративный процесс генерации потенциала действия. Таким образом, «полезное время» может свидетельствовать об уровне возбудимости ткани: чем короче «полезное время», тем более воз­будимыми являются ткани и быстрее реагируют на раздражитель. Это положение с начала XX в. успешно используется в клиничес­кой и лабораторной практике. Вместе с тем следует, что точное измерение «полезного времени» затруднительно, поскольку в этой части кривой значительные изменения времени соответствуют очень малым изменениям порога раздражения (см. рис. 2.14). По­этому французским исследователем Лапиком было предложено измерять в качестве порога времени минимальную длительность раздражителя при его силе, равной двум порогам, и при условии, что сила порогового раздражителя измерена при длительностях, превышающих «полезное время». Временные интервалы и значе­ния силы раздражителя получили специальные названия и ис­пользуются по настоящее время. Пороговая сила была обозначена как реобаза, а необходимое время раздражения при силе раздраже­ния, равной двум реобазам, — хронаксия. Хронаксия — величина переменная и зависит от многих факторов: структуры ткани, ее функционального состояния и всего организма в целом. Кривые «сила — длительность» для разных тканей и органов подобны по форме, но отличаются во времени. Например, у лошади и жвач­ных животных хронаксия двигательных нервов колеблется от 0,09 до 0,2 мс, а скелетных мышц — от 0,2 до 0,4 мс; самая большая хронаксия у гладких мышц желудка, кишечника и матки, изме­ряемая десятками и сотнями миллисекунд.

Рефрактерность. После окончания возбуждения в нервных или мышечных клетках или, другими словами, после окончания в них потенциала действия наступает состояние временной невозбуди-

Рис. 2.15. Периоды рефрактерности (сни­жения возбудимости) при генерации по­тенциала действия:

верхняя запись — потенциалы действия, гене­рируемые на электрическое раздражение, ниж­няя запись — отметка электрического раздраже­ния; А — период абсолютной рефрактерности; Б— период относительной рефрактерности; 1...4— периоды рефрактерности

'jj[

. Время после первого стимула

мости — рефрактернос-т и. Наличие фазы рефрактер­ности, сопровождающее окон­чание возбуждения, было впер­вые установлено в конце XIX в. Мареем на сердце лягушки. Он обнаружил, что после сокраще­ния сердца очередное сокраще­ние нельзя вызвать в течение периода, равного десятым долям секунды, независимо от ампли­туды и длительности раздража­ющего стимула. В нервных клет­ках период невозбудимости ока­зался значительно короче, чем в мышечных. При уменьшении интервала раздражения между двумя раздражающими элект­рическими стимулами величина потенциала действия в ответ на второй стимул становится все ниже и ниже. А если повторный стимул наносится во время генерации потенциала действия или сразу же после его окончания, то второй потенциал действия не генерируется (рис. 2.15). Период, в течение которого потенциал действия на второй раздражающий стимул не возникает, получил название абсолютного рефрактерного периода. Он составляет для нервных клеток позвоночных животных 1,5...2 мс. После периода абсолютной рефрактерности наступает относительный рефрактер­ный период, который характеризуется: 1) повышенным порогом раздражения по сравнению с исходным состоянием (т. е. для того чтобы возник повторный потенциал действия, необходим ток боль­шей величины); 2) снижением амплитуды потенциала действия. По мере окончания периода относительной рефрактерности возбуди­мость повышается до исходного уровня и величина порогового раздражения уменьшается также до первоначального значения.

Наличие периодов абсолютной и относительной рефрактерно­сти легко объяснимо на основании данных о динамике активации и инактивации натриевых и калиевых ионных каналов во время

генерации потенциала действия. Так, в период абсолютной ре­фрактерности во время нисходящей части потенциала действия повышается калиевая проводимость за счет открывания дополни­тельных калиевых каналов и снижается натриевая проводимость за счет инактивации натриевых каналов. Поэтому даже при боль­ших значениях деполяризующего тока не удается активировать та­кое число натриевых каналов, чтобы выходящий натриевый ток мог бы превысить увеличенный выходящий калиевый ток и снова запустить регенеративный процесс. Во время относительного ре­фрактерного периода деполяризующий сигнал достаточно боль­шой амплитуды может активировать воротный механизм натрие­вых каналов так, что, несмотря на большое число открытых кали­евых каналов, натриевая проводимость увеличивается и вновь воз­никает потенциал действия. Вместе с тем из-за увеличенной про­водимости мембраны к ионам калия и остаточной натриевой инак­тивации повышение мембранного потенциала не будет уже столь близко к значению равновесного натриевого потенциала, поэтому потенциал действия будет меньшим по амплитуде.

Дата добавления: 2014-11-29