Электрофизиология

Размещено на http://www.allbest.ru/

Электрофизиология



Физиологический смысл биопотенциалов. Биопотенциалы -- носители информации

Организм способен существовать как единое целое благодаря тому, что между его клетками происходит обмен информацией.

Этот обмен осуществляется с помощью двух типов сигналов: гуморальных и электрических.

Гуморальные сигналы -- это химические вещества, вызывающие определенные реакции клеток-мишеней; типичным примером служат гормоны, выделяемые в кровь специализированными эндокринными железами.

Гуморальная сигнализация:

генерализованная (на выделяемые в кровь вещества реагируют все клетки, имеющие рецепторы к этим веществам);

медленная (химические вещества подносятся к клеткам за достаточно большое время, и действуют на клетки также достаточно долго);

неточно дозируемая (невозможно с высокой точностью создать определенную концентрацию вещества около клетки-мишени).

Такая сигнализация идеальна для формирования длительных программ, в которых задействован организм в целом (например, стресса, роста и развития), однако она не подходит для коротких, быстрых и точных реакций, управляемых нервной системой (например, мышечного сокращения). В таких случаях используются электрические сигналы, или биопотенциалы.

Биопотенциалы по своим свойствам прямо противоположны гуморальным сигналам; они:

локализованные (электрический сигнал может быть направлен только к одной клетке);

быстрые (электрические сигналы быстро распространяются и могут быть очень короткими);

точно дозируемые (величина сигнала может регулироваться с точностью до тысячных долей вольта и даже выше).

Виды биопотенциалов

С помощью биопотенциалов осуществляется:

передача информации;

местная обработка информации.

Для этих двух разновидностей информационных процессов используются соответственно два вида биопотенциалов:

распространяющиеся потенциалы, или потенциалы действия -- для передачи информации;

местные потенциалы -- для местной обработки информации.

Эти два вида биопотенциалов обладают во многом противоположными свойствами.

Распространяющиеся потенциалы предназначены для передачи информации на большие расстояния (например, по нервным волокнам) без искажения. Идеальный способ для этого -- кодирование, при котором все сигналы одинаковы, а передаваемая информация зависит от количества сигналов, но не от их величины. Такие потенциалы обладают следующими свойствами:

подчиняются закону «все или ничего»: сигнал либо есть, либо его нет, и его величина не зависит от силы раздражителя (принцип двоичного кода: «да--нет», 0--1). Соответственно, эти потенциалы характеризуются порогом: минимальным значением раздражителя, при котором возникает потенциал. Если сила раздражителя ниже пороговой, потенциал не возникает; если она равна или выше пороговой, то развивается потенциал, величина которого не меняется при дальнейшем повышении силы раздражителя;

распространяются без затухания: их величина не снижается по мере распространения, например по нервным волокнам;

обладают рефрактерностью, или невозбудимостью: пока не закончился один потенциал, невозможно вызвать следующий. Благодаря этому распространяющиеся потенциалы никогда не сливаются друг с другом, но возникают и распространяются как отдельные импульсы.

Местные потенциалы предназначены для местной обработки информации, например для преобразования действующего на нервное окончание раздражителя в форму электрического сигнала. В связи с этим они подчиняются иным принципам кодирования: величина и другие характеристики этих потенциалов зависят от характеристик раздражителя. Такие потенциалы обладают следующими свойствами:

они подчиняются закону силовых отношений: чем сильнее раздражитель, тем больше величина сигнала. Соответственно, эти потенциалы не характеризуются порогом: даже самые слабые раздражители могут вызвать небольшие по величине потенциалы;

они распространяются с затуханием;

они не обладают рефрактерностью, но, напротив, способны к суммации: если во время местного потенциала действует повторный раздражитель, то возникает очередной потенциал, складывающийся с предыдущим. Благодаря этому величина и длительность местного потенциала отражают суммарную силу и длительность действующих раздражителей.

К местным потенциалам относятся многие разновидности биопотенциалов (локальные ответы, рецепторные потенциалы, генераторные потенциалы, синаптические потенциалы и пр.; они рассматриваются ниже и в других главах). К распространяющимся потенциалам относятся только потенциалы действия (ПД).

электрофизиология возникновение взаимодействие проведение биопотенциал



Взаимодействие биопотенциалов

Местные потенциалы и ПД переходят друг в друга, обеспечивая единый процесс обработки и передачи информации. Рассмотрим взаимодействие этих потенциалов на примере передачи информации о действующем на кожу раздражителе.

Под действием раздражителя в тактильном рецепторе возникает местный потенциал, величина которого тем больше, чем выше сила раздражителя. Когда величина местного потенциала превосходит пороговый уровень, возникает ПД, распространяющийся от рецептора по нервному волокну. Если местный потенциал достаточно велик и потому долго превышает пороговый уровень, то возникают несколько ПД. Таким образом, величина раздражителя сначала (при местной обработке информации) кодируется величиной местного потенциала, а затем (при передаче информации) -- количеством ПД.

После проведения по нервному волокну сигнал передается на следующий нейрон в области окончания волокна на этом нейроне (синапса). При этом поступающие по волокну ПД вызывают местные потенциалы в иннервируемом волокном нейроне: чем больше ПД поступает по волокну, тем больший местный потенциал развивается в нейроне. Таким образом, величина раздражителя сначала (при передаче информации) кодируется количеством ПД, а затем (при обработке информации) -- величиной местного потенциала.

Роль биопотенциалов в разных тканях

Почти все клетки организма в той или иной степени заряжены и способны менять свой заряд. В то же время в большинстве клеток биопотенциалы выполняют не информационную, а иные функции -- в частности, обеспечивают перенос через мембраны ионов и других заряженных частиц, взаимное отталкивание либо притяжение клеток и т. п. И только в тех тканях, где необходима быстрая, точная и прицельная сигнализация, биопотенциалы используются как носители информации: это нервная и мышечная ткани. Большинство клеток этих тканей способны порождать ПД. Поскольку исторически синонимом ПД служит «возбуждение», эти ткани называют возбудимыми. Итак:

возбуждение (в электрофизиологии) -- синоним ПД;

возбудимость -- способность генерировать ПД;

возбудимые ткани -- это ткани, в которых могут возникать ПД, а именно нервная и мышечная ткани.

Измерение биопотенциалов

Биопотенциалы представляют собой разность потенциалов между внутренней и наружной сторонами клеточных мембран.

Чтобы измерить эту разность потенциалов, используют два электрода, расположенные по разные стороны мембраны: один из электродов -- микроэлектрод -- вводят в клетку, а второй помещают во внеклеточную среду. Эти два электрода подсоединяют к двум полюсам регистрирующего устройства (например, осциллографа).

Под мембранным потенциалом понимают потенциал внутренней поверхности мембраны относительно потенциала наружной поверхности, условно принимаемого за ноль. Например, если разность потенциалов по обе стороны мембраны составляет 60 мВ, а внутренняя сторона заряжена отрицательно, то говорят, что мембранный потенциал равен -60 мВ.

Установку для регистрации биопотенциалов собирают таким образом, чтобы при отрицательном значении мембранного потенциала луч осциллографа отклонялся вниз.



Общие принципы возникновения биопотенциалов

Источником биопотенциалов служит движение ионов через мембрану. Если положительные ионы входят в клетку, то мембранный потенциал (потенциал внутри клетки) становится положительнее, если выходят -- отрицательнее (в случае отрицательных ионов, разумеется, наоборот).

Транспорт ионов через мембрану

Виды транспорта

Существуют два основных вида транспорта ионов и молекул через мембрану: активный и пассивный транспорт.

Пассивный транспорт -- это движение частиц через мембрану в направлении концентрационного градиента, а для заряженных частиц (в частности, ионов) -- еще и электрического градиента. Такой транспорт не требует затрат энергии.

Активный транспорт идет против концентрационного (и электрического) градиента, и поэтому требует затрат энергии.

И активный, и пассивный транспорт подразделяются на несколько разновидностей. Для формирования биопотенциалов имеют значение:

простая диффузия -- разновидность пассивного транспорта, при которой свободно растворенные частицы перемещаются из области большей концентрации (и одноименных зарядов) в область меньшей концентрации (и разноименных зарядов);

первичный активный транспорт -- разновидность активного транспорта, непосредственным источником энергии для которого является распад АТФ.



Структуры, обеспечивающие транспорт ионов

Пассивный транспорт

Липидный бислой, составляющий основу клеточных мембран, не проницаем для заряженных частиц. Поэтому ионы могут диффундировать сквозь мембрану только через специальные трансмембранные (пронизывающие мембрану) белковые комплексы -- ионные каналы. Эти комплексы образуют стенки поры, сквозь которую и проходят ионы. Напоминаем, что в данном случае речь идет о простой диффузии.

Активный транспорт

Этот транспорт также обеспечивается специальными трансмембранными белковыми комплексами -- ионными насосами, перекачивающими ионы против концентрационного и электрического градиентов. На это расходуется энергия АТФ, поэтому все ионные насосы одновременно являются ферментами -- АТФазами. Напоминаем, что в данном случае речь идет о первичном активном транспорте.

Механизмы возникновения биопотенциалов

Общие принципы

Биопотенциалы создаются в подавляющем большинстве случаев в результате простой диффузии ионов, то есть -- пассивного транспорта. Направление и интенсивность этой диффузии зависят от движущих сил и проницаемости мембраны для данного иона.

Движущие силы

Движущей силой диффузии любого вещества служит его концентрационный градиент. Ионы в этом отношении не являются исключением. Однако ионы отличаются от других веществ (скажем, глюкозы) тем, что они являются заряженными частицами. Поэтому на их перемещение влияет еще и электрическое поле -- ионы стремятся перейти в область противоположных зарядов. Таким образом, имеются две движущие силы для диффузии ионов через мембрану -- концентрационный градиент и электрический градиент. Из этих двух сил складывается суммарная движущая сила для перехода того или иного иона через мембрану.

Проницаемость

Как уже говорилось, ионы проходят через мембрану только через ионные каналы. Эти каналы бывают нескольких типов.

Каналы без ворот. Эти каналы представляют собой просто поры в мембране, стенки которых образованы трансмембранными белками.

Каналы с воротами. Эти каналы обладают особыми белковыми участками, способными перекрывать канал, -- воротами. Открывание и закрывание ворот разных каналов управляется разными факторами, в том числе:

мембранным потенциалом (потенциалчувствительные каналы);

химическими веществами (хемочувствительные каналы). В этом случае с каналом связан рецептор, с которым соединяется то или иное вещество; это соединение приводит к открыванию или закрыванию канала. Такие каналы называются также рецепторами, сопряженными с ионными каналами, или ионотропными рецепторами.

Все виды каналов обладают избирательной проницаемостью -- то есть, преимущественно пропускают какой-либо один ион (реже -- несколько ионов); выделяют калиевые, натриевые, кальциевые, хлорные и т. п. каналы.

Потенциалчувствительные каналы, кроме того, обладают еще двумя характеристиками:

потенциалзависимостью, то есть теми значениями мембранного потенциала, при которых ворота открываются либо закрываются;

времязависимостью, то есть временем срабатывания (открывания либо закрывания) ворот.

Резюме

1. Биопотенциалы создаются в результате простой диффузии ионов через мембрану.

2. Диффузия каждого иона зависит от движущих сил и проницаемости для этого иона.

3. Движущих сил две: концентрационный и электрический градиенты.

4. Проницаемость зависит от количества открытых в данный момент ионных каналов. Одни из них открыты всегда (каналы без ворот), состояние других зависит от мембранного потенциала, действия гуморальных либо иных факторов (каналы с воротами).

Количественные показатели: равновесный потенциал и электрохимический градиент

Равновесный потенциал

Представим себе сосуд, разделенный на два отсека искусственной мембраной; между обоими отсеками регистрируется разность потенциалов. В оба отсека налита вода, а в отсек 1 добавлен KCl. Если мембрана непроницаема ни для одного из ионов, то они не будут переходить в отсек 2, и разности потенциалов между двумя отсеками не будет (на кривой внизу разность потенциалов равна нулю). Представим далее, что в мембрану встроены калиевые каналы. При этом K+ начнет выходить в отсек 2 по концентрационному градиенту будет выносить в этот отсек положительные заряды; в отсеке 1 останется избыток анионов Cl-, которые создадут в этом отсеке отрицательный заряд. В результате по мере выхода K+ между двумя отсеками будет нарастать разность потенциалов. Положительный заряд, накапливающийся в отсеке 2, будет все более препятствовать выходу в этот отсек K+ (одноименные заряды отталкиваются), а накапливающийся в отсеке 1 отрицательный заряд, напротив, будет притягивать K+. Таким образом, будет формироваться электрический градиент, направленный противоположно концентрационному. Когда эти два градиента сравняются, поток калия прекратится, и разность потенциалов между двумя отсеками установится на постоянном уровне. Поскольку в этом состоянии оба градиента уравновешивают друг друга (суммарная движущая сила для диффузии K+ становится равна нулю), установившуюся на мембране разность потенциалов называют равновесным калиевым потенциалом.

Итак, равновесный потенциал для данного иона -- это такой мембранный потенциал, при котором:

концентрационный и электрический градиенты для этого иона равны друг другу, но направлены противоположно; следовательно,

суммарная движущая сила для диффузии иона равна нулю; следовательно,

поток иона через мембрану прекращается (точнее, выход иона становится равным его входу).

Равновесные потенциалы принято обозначать Eи, где «и» -- ион (например, EК -- равновесный калиевый потенциал, ENa -- равновесный натриевый потенциал).

Электрохимический градиент

Суммарная движущая сила для диффузии того или иного иона складывается из концентрационного и электрического градиентов. Эта суммарная сила называется электрохимическим градиентом.

Электрохимический градиент для некоего иона тем больше, чем больше разность между мембранным потенциалом и равновесным потенциалом для данного иона. В самом деле, если мембранный потенциал равен равновесному потенциалу для некоего иона, то движущая сила для диффузии этого иона, разумеется, равна нулю; чем дальше мембранный потенциал от равновесного, тем больше и движущая сила.



Потенциал покоя

Определение и терминология

В покое возбудимые клетки заряжены внутри отрицательно, а снаружи -- положительно. Мембранный потенциал при этом может составлять от -40 до -100 мВ, а в типичном нервном волокне -- от -80 до -90 мВ. Этот мембранный потенциал называется потенциалом покоя.

Это состояние «заряженности» клетки называют поляризацией. Снижение мембранного потенциала по абсолютной величине (то есть его сдвиг в положительную сторону) называется деполяризацией, а восстановление мембранного потенциала после деполяризации -- реполяризацией. Увеличение мембранного потенциала по абсолютной величине, то есть сдвиг в отрицательную сторону (по сравнению с потенциалом покоя) называется гиперполяризацией.

Механизмы

В типичной нервной клетке, электрические свойства которой мы здесь рассмотрим, биопотенциалы создаются в результате диффузии двух катионов: Na+ и K+.

Знак и величина потенциала покоя объясняются двумя факторами:

распределением катионов по обе стороны мембраны: во внутриклеточной среде преобладает K+, во внеклеточной -- Na+;

избирательной проницаемостью мембраны: в покое мембрана высоко проницаема для K+ и мало проницаема для Na+ (это обусловлено тем, что в мембране имеется большое количество постоянно открытых калиевых каналов, относящихся к каналам без ворот).

Таким образом, механизм формирования потенциала покоя в типичной нервной клетке сходен с тем, который приведен на рис. 1.4: ионы K+ выходят из клетки по концентрационному градиенту, выносят с собой положительные заряды и заряжают наружную поверхность клетки положительно. Внутри остается избыток анионов, которые создают отрицательный заряд на внутренней поверхности мембраны. По мере того как на наружной поверхности клетки накапливаются положительные заряды, а на внутренней -- отрицательные, формируется электрический градиент, направленный внутрь (то есть препятствующий дальнейшему выходу K+). Этот процесс продолжается до тех пор, пока не установится мембранный потенциал, примерно равный равновесному калиевому потенциалу. Это и есть потенциал покоя.

В то же время потенциал покоя близок, но не равен равновесному калиевому потенциалу: мембрана в покое все же несколько проницаема для Na+, в результате эти ионы в небольшом количестве входят в клетку (для Na+ и концентрационный, и электрический градиенты направлены внутрь) и немного ее деполяризуют. Следовательно, потенциал покоя несколько менее отрицателен (в типичном нервном волокне он составляет около -80 мВ), чем равновесный калиевый потенциал (около -100 мВ).

Физиологический смысл

На рис. 1.6 в виде ступенек изображены электрохимические градиенты для Na+ и K+ в возбудимой клетке в состоянии покоя:

электрохимический градиент для K+ невелик: концентрационный и электрический градиенты для этого иона направлены взаимно противоположно, и потенциал покоя, как уже говорилось, близок к равновесному калиевому потенциалу (EK);

электрохимический градиент для Na+, напротив, очень высокий: концентрационный и электрический градиенты для этого иона направлены одинаково (внутрь клетки), и потенциал покоя сильно отличается от равновесного натриевого потенциала (ENa).

В этой высокой движущей силе для входа Na+ в клетку и заключается важнейший физиологический смысл потенциала покоя. Мембрана как бы сдерживает поток Na+; даже небольшое повышение проницаемости мембраны для этого иона приведет к интенсивному входу этого иона и быстрой деполяризации клетки, то есть -- к развитию ПД.

Во многих невозбудимых клетках разность потенциалов по обе стороны мембраны и электрохимический градиент для Na+ используются не для создания ПД, а для переноса через мембрану ионов и молекул.

Потенциал действия. Конфигурация и фазы

ПД представляет собой кратковременное изменение мембранного потенциала от уровня покоя примерно до +30 мВ (в типичном нервном волокне). Длительность его (в нервном волокне) 1--2 мс, амплитуда около 100--120 мВ. ПД состоит из двух основных фаз: деполяризации и реполяризации.

Механизмы. Ионные каналы

Если в формировании потенциала покоя участвуют постоянно открытые калиевые каналы без ворот, то в формировании ПД -- два вида потенциалчувствительных каналов:

быстрые натриевые каналы;

потенциалчувствительные калиевые каналы.

Быстрые натриевые каналы абсолютно необходимы для возникновения ПД и определяют все его основные свойства (закон «все или ничего», распространение без затухания, наличие рефрактерности; см. выше, разд. «Физиологический смысл биопотенциалов»); потенциалчувствительные калиевые каналы играют вспомогательную роль.



Быстрые натриевые каналы

Видно, что каналы обладают двумя воротами:

наружными -- активационными;

внутренними -- инактивационными.

Будучи потенциалчувствительными, быстрые натриевые каналы обладают потенциалзависимостью и времязависимостью:

потенциалзависимость: активационные ворота при потенциале покоя закрыты, инактивационные -- открыты; в ответ на деполяризацию активационные ворота открываются, инактивационные -- закрываются;

времязависимость: активационные ворота в ответ на деполяризацию открываются чрезвычайно быстро (за десятые доли миллисекунды), инактивационные закрываются также достаточно быстро, но все же медленнее.

Таким образом,

в состоянии покоя быстрые натриевые каналы закрыты (так как закрыты активационные ворота);

в ответ на деполяризацию быстрые натриевые каналы сначала быстро открываются (инактивационные ворота еще не закрылись, активационные уже открылись); это так называемая натриевая активация;

затем с некоторой задержкой эти каналы закрываются (так как в ответ на деполяризацию закрываются инактивационные ворота); это так называемая натриевая инактивация.

Потенциалчувствительные калиевые каналы

Видно, что каналы обладают только наружными (активационными) воротами.

Данные каналы также характеризуются потенциалзависимостью и времязависимостью:

потенциалзависимость: ворота при потенциале покоя закрыты, а в ответ на деполяризацию открываются;

времязависимость: ворота в ответ на деполяризацию открываются сравнительно медленно (за миллисекунды).

Таким образом,

в состоянии покоя потенциалчувствительные калиевые каналы закрыты;

при деполяризации потенциалчувствительные калиевые каналы сравнительно медленно открываются (калиевая активация);

при продолжающейся деполяризации эти каналы остаются открытыми и закрываются лишь тогда, когда мембранный потенциал возвращается к уровню покоя.

Фаза деполяризации

Фаза деполяризации ПД обусловлена входом в клетку Na+. Действительно, деполяризация может быть обусловлена только входом катиона, а из двух катионов, участвующих в создании биопотенциалов (Na+ и K+), только Na+ стремится войти в клетку. Из этого следует, что в фазу деполяризации натриевая проницаемость должна резко повысится -- то есть должны открыться быстрые натриевые каналы. Эти каналы, как уже говорилось, открываются в ответ на деполяризацию. Следовательно, деполяризация является единственным раздражителем, способным вызвать ПД.

Итак, с одной стороны, деполяризация вызывает открывание натриевых каналов, а с другой -- вход Na+ по этим каналам вызывает деполяризацию. Таким образом, вход Na+ в фазу деполяризации ПД носит самоусиливающийся характер: деполяризация приводит к открыванию натриевых каналов; в результате входит Na+; вход Na+ приводит к еще большей деполяризации; нарастающая деполяризация вызывает открывание новых натриевых каналов и т.д.



Фаза реполяризации

На пике ПД движущие силы, проницаемости и потоки Na+ и K+ меняются следующим образом.

Для Na+:

движущая сила (электрохимический градиент) резко падает, так как клетка становится заряженной положительно изнутри, и электрический градиент для Na+ становится направленным наружу (противоположно концентрационному);

проницаемость также падает, так как закрываются инактивационные ворота быстрых натриевых каналов;

следовательно, входящий ток Na+ резко снижается.

Для K+:

движущая сила (электрохимический градиент) резко возрастает, так как клетка становится заряженной положительно изнутри, и электрический градиент для K+ становится направленным наружу (как и концентрационный);

проницаемость, будучи большой уже в покое, дополнительно возрастает, так как открываются потенциалчувствительные калиевые каналы;

следовательно, выходящий ток K+ резко повышается.

Таким образом, фаза реполяризации ПД обусловлена выходом K+ на фоне прекращающегося входа Na+.

Изменения ионных концентраций во время ПД

Количество Na+, входящего в клетку во время фазы деполяризации, и K+, выходящего во время фазы реполяризации, чрезвычайно мало по сравнению с общим содержанием этих ионов в клетке, так как все электрические процессы разыгрываются только в области тонкого примембранного слоя; в связи с этим концентрации ионов в клетке во время ПД изменяются незначительно.

Однако, поскольку концентрации Na+ и K+ во время ПД хоть немного, но изменяются, то для того, чтобы восстановить распределение ионов по обе стороны мембраны, действует Na+,K+-АТФаза, или Na+/K+ насос, -- механизм активного переноса, выкачивающий из клетки Na+ и в обмен закачивающий K+.

Роль Na+,K+-АТФазы заключается в создании и поддержании по обе стороны мембраны неравномерного распределения ионов -- необходимого условия для формирования мембранных потенциалов. Однако она непосредственно почти не создает эти потенциалы, так как, удаляя из клетки положительные заряды (Na+), она в обмен также закачивает положительные заряды (K+).

На самом деле, Na+,K+-АТФаза закачивает в клетку 2 иона Na+, а выкачивает 3 иона K+, то есть создает некоторый избыточный выход положительных зарядов и тем самым участвует в поляризации клетки; однако вклад Na+,K+-АТФазы в формирование потенциала покоя в большинстве клеток мал.

Следовые потенциалы

По окончании ПД часто возникают так называемые следовые потенциалы, в большинстве случаев обусловленные тем, что ворота ионных каналов не успевают вернуться в состояние, характерное для потенциала покоя. Если следовый потенциал положительнее потенциала покоя, то он называется следовой деполяризацией, если отрицательнее -- следовой гиперполяризацией. Эти потенциалы в разных клетках разные; в некоторых клетках их нет вовсе, в других может быть несколько сменяющих друг друга следовых потенциалов. Механизмы их тоже в разных клетках различны, что связано с разнообразием ионных каналов. В качестве примера приведена следовая гиперполяризация. Видно, что она обусловлена временным повышением калиевой проницаемости (из-за медленного закрывания потенциалчувствительных калиевых каналов) и, как следствие, смещением мембранного потенциала в сторону EK.

Возбудимость

Определение и показатели

Возбудимость -- это не только свойство возбудимых тканей, но и количественный показатель. Она отражает, насколько легко можно вызвать возбуждение (то есть ПД) в данной ткани.

Мерой возбудимости служит минимальная величина раздражителя, способная вызвать возбуждение, или так называемая пороговая сила раздражителя: чем меньше эта сила, тем выше возбудимость.

Следовательно, раздражители подразделяются на пороговые, подпороговые (меньше пороговых) и сверхпороговые (больше пороговых).

Более точным показателем возбудимости служит порог деполяризации -- минимальная величина (в милливольтах), на которую надо деполяризовать клетку, чтобы возник ПД. Этот показатель равен разности между мембранным потенциалом и критическим уровнем деполяризации (Eкр) -- значением мембранного потенциала, при котором возникает ПД. Чем меньше порог деполяризации, тем выше возбудимость.

Мембранно-ионные механизмы

Итак, мерой возбудимости является разность между мембранным потенциалом и Eкр. Факторы, от которых зависит мембранный потенциал, разбирались выше (разд. «Общие принципы возникновения биопотенциалов»). Выясним теперь, от чего зависит Eкр; попутно разберем, что происходит при действии на возбудимую ткань подпороговых раздражителей. Для этого представим себе, что мы прикладываем к возбудимой клетке деполяризующее напряжение.

В первом (чисто условном) случае напряжение настолько мало, что оно не вызывает открывания быстрых натриевых каналов. В таком случае клетка деполяризуется ровно на величину приложенного напряжения (на рисунке -- на 5 мВ), то есть ведет себя как обычное сопротивление. Это так называемое пассивное изменение мембранного потенциала, или пассивный ответ.

Во втором случае деполяризующее напряжение уже достаточно для открывания быстрых натриевых каналов. Клетка деполяризуется на величину приложенного напряжения (на рисунке -- на 10 мВ), но плюс еще на некоторое значение за счет входа Na+ по открывающимся каналам. Это уже активный ответ, биопотенциал, характерный именно для живой мембраны. Он относится к местным потенциалам, обладает всеми их свойствами (см. выше, разд. «Виды биопотенциалов») и называется локальным ответом. Однако несмотря на открывание быстрых натриевых каналов локальный ответ может не перейти в ПД, то есть остается подпороговым. Почему же в данном случае не развивается самоусиливающийся вход Na+, приводящий к развитию ПД? Дело в том, что деполяризация мгновенно приводит к усилению выхода из клетки K+ (так как уменьшается направленный внутрь электрический градиент для этого иона) по постоянно открытым калиевым каналам, а выход K+ вызывает реполяризацию. Если выходящий калиевый ток больше входящего натриевого, то деполяризация прекращается и самоусиливающийся вход Na+ не развивается.

В третьем случае деполяризующее напряжение достаточно для того, чтобы входящий натриевый ток превысил выходящий калиевый. Клетка деполяризуется на величину приложенного напряжения (на рисунке -- на 15 мВ), плюс еще на некоторое значение за счет входа Na+ по открывающимся каналам, и этой суммарной деполяризации хватает для превышения Eкр и развития ПД.

Из этого следует, что Eкр достигается тогда, когда натриевый ток превышает калиевый:

Условие Eкр: INa > IK.

Следовательно:

любые факторы, увеличивающие натриевую проницаемость, приводят к сдвигу Eкр в сторону мембранного потенциала, тем самым они снижают порог деполяризации и повышают возбудимость;

напротив, факторы, уменьшающие натриевую проницаемость, снижают возбудимость;

любые факторы, увеличивающие калиевую проницаемость, приводят к сдвигу Eкр в сторону от мембранного потенциала, тем самым они увеличивают порог деполяризации и понижают возбудимость;

напротив, факторы, снижающие калиевую проницаемость, повышают возбудимость.

Важнейшие примеры изменения возбудимости

Изменения возбудимости во время ПД

Эти изменения приведены на примере двух нейронов, один из которых не обладает никакими следовыми потенциалам, а у второго имеется следовая гиперполяризация.

1. Во время локального ответа возбудимость повышена. Причина: мембранный потенциал приближается к Eкр.

2. Во время фазы деполяризации, пика ПД и первой трети фазы реполяризации возбудимость падает до нуля (никакие раздражители не способны вызвать повторный ПД). Это период абсолютной невозбудимости, или абсолютной рефрактерности -- одно из ключевых свойств ПД (см. выше, разд. «Физиологический смысл биопотенциалов»). Причина: закрываются инактивационные ворота быстрых натриевых каналов, и в этих условиях никакие раздражители не способны вызвать открывание этих каналов.

3. Начиная от второй трети фазы реполяризации возбудимость постепенно восстанавливается, хотя и остается сниженной по сравнению с исходной (ПД может быть вызван, но только сильными раздражителями). Это период относительной невозбудимости, или относительной рефрактерности. Причина: постепенно вновь открываются инактивационные ворота быстрых натриевых каналов. Если следовых потенциалов нет, то возбудимость восстанавливается почти одновременно с окончанием фазы реполяризации. Если же имеются следовые потенциалы, то изменения возбудимости более сложны. В частности, во время следовой гиперполяризации возбудимость понижена, поэтому период относительной рефрактерности длится дольше -- до окончания следовой гиперполяризации, Б). Причины: 1) мембранный потенциал смещен в сторону более отрицательных значений; 2) калиевая проницаемость повышена, и поэтому Eкр смещен в сторону более положительных значений. Обе эти причины приводят к росту порога деполяризации, и, следовательно, снижению возбудимости.

Каковы бы ни были особенности изменений возбудимости в отдельных нейронах, главной и важнейшей особенностью этих изменений является наличие абсолютной рефрактерности: почти все время, пока длится ПД, повторный ПД вызвать невозможно.

От длительности периода абсолютной рефрактерности зависит, сколько ПД в 1 секунду может возникнуть в той или иной клетке. Например, если рефрактерность составляет 1 мс, то максимальная частота ПД равна около 1000 в 1 с, то есть 1000 Гц. Эта максимальная частота импульсов, которую может воспроизвести та или иная ткань, клетка или часть клетки, является мерой лабильности («функциональной подвижности ткани»).

Изменения возбудимости при длительных сдвигах мембранного потенциала

Эти изменения приведены на примере действия на возбудимую клетку постоянного тока.

В первом случае, А) на клетку действует длительное деполяризующее напряжение. При этом:

в первый момент возбудимость повышается, так как мембранный потенциал приближается к Eкр;

в дальнейшем возбудимость снижается, так как Eкр отдаляется от мембранного потенциала. Это объясняется тем, что длительная деполяризация приводит к натриевой инактивации и калиевой активации (рис. 1.8), а оба эти изменения приводят к снижению возбудимости (рис. 1.13).

Во втором случае на клетку действует длительное гиперполяризующее напряжение. При этом, напротив,

в первый момент возбудимость снижается, так как мембранный потенциал отдаляется от Eкр;

в дальнейшем возбудимость повышается, так как Eкр приближается к мембранному потенциалу. Это объясняется процессами, обратными развивающимся при длительной деполяризации.

Изменением возбудимости при длительной деполяризации объясняются многие физиологические феномены, в частности -- аккомодация.

Аккомодация

Аккомодация -- это снижение возбудимости при уменьшении крутизны (скорости нарастания) раздражителя. Чем плавнее увеличивается ток, тем выше смещается Eкр, то есть -- снижается возбудимость. Существует минимальная скорость нарастания раздражителя, при которой может возникнуть ПД; при дальнейшем снижении этой скорости никакие раздражители не вызовут возбуждение. Причина аккомодации -- та же, что и длительной деполяризации: при медленно нарастающей деполяризации успевают развиться натриевая инактивация и калиевая активация.



Проведение биопотенциалов

В участке 1 развился местный деполяризующий потенциал; это значит, что в данном участке несколько уменьшилось количество положительных зарядов на наружной стороне мембраны, а отрицательных -- на внутренней. Это приведет к возникновению так называемых местных токов: катионы начнут перемещаться в область относительного избытка отрицательных зарядов, а анионы -- наоборот. Местные токи будут протекать как во внутриклеточной, так и во внеклеточной жидкости, и замыкаться через постоянно открытые каналы в мембране (в частности, калиевые). В результате соседний участок (2) также будет деполяризоваться, но в меньшей степени, чем участок 1, так как распространение тока всегда сопровождается падением напряжения. Следовательно, местный потенциал будет распространяться, но с затуханием. Такое проведение не отличается от распространения электрического тока по проводнику и называется электротоническим.

Факторы, влияющие на проведение

Количественным показателем проведения местных потенциалов служит быстрота затухания (например, длина участка, на котором величина местного потенциала уменьшится в 2 раза). Быстрота затухания местного потенциала зависит от того, насколько далеко распространяются местные токи, а дальность их распространения, в свою очередь, определяется двумя факторами:

плотностью в мембране постоянно открытых каналов, то есть -- поперечным сопротивлением волокна (чем больше каналов, тем выше проводимость, то есть меньше сопротивление). Если плотность каналов велика, то местные токи будут замыкаться на меньшем расстоянии, и потенциалы будут затухать быстрее;

диаметром волокна, то есть -- его продольным сопротивлением. Чем меньше сопротивление току, тем меньше и падение напряжения; следовательно, чем толще волокно, тем меньше быстрота затухания потенциалов.

Итак, быстрота затухания местных потенциалов тем больше, чем меньше поперечное сопротивление (выше плотность открытых каналов), и чем больше продольное сопротивление (тоньше волокно).

Распространение ПД. Механизмы распространения

Теперь возьмем фрагмент нервного волокна, в котором имеются не только постоянно открытые каналы без ворот, но также быстрые натриевые каналы. В участке 1 возник ПД, то есть высокий деполяризующий потенциал. В первый момент, А) он, как и описанные выше местные потенциалы, с помощью местных токов проводится с затуханием вдоль нервного волокна, в том числе до участка 2, где располагаются ближайшие быстрые натриевые каналы. Этот участок деполяризуется до Eкр, и тогда здесь возникает новый ПД; тот, в свою очередь, деполяризует до Eкр соседний участок, и так далее вдоль всей возбудимой мембраны.

Таким образом, распространение ПД принципиально отличается тем, что этот потенциал не просто проводится, как электрический ток по проводнику, а в каждом участке волокна зарождается заново, как бы «прыгая» от одного участка к другому.

Факторы, влияющие на распространение

Количественным показателем распространения ПД служит скорость этого распространения. Поскольку в распространении ПД участвуют местные токи, скорость его распространения во многом зависит от тех же факторов, что и проведение местных потенциалов: чем медленнее затухают местные потенциалы, тем большими скачками будет распространяться ПД вдоль волокна (то есть тем больше будет расстояние между двумя участками, в которых зарождается ПД), и тем выше будет скорость распространения.

Скорость распространения ПД зависит от двух групп факторов: морфологических и функциональных:

морфологические факторы те же, что и для проведения местных потенциалов: плотность открытых каналов (от которой зависит поперечное сопротивление волокна) и длина волокна (от которой зависит продольное сопротивление волокна). Чем толще волокно и ниже плотность постоянно открытых каналов, тем быстрее проводится ПД;

к функциональным факторам относятся амплитуда и крутизна ПД, возбудимость мембраны и некоторые другие. Ясно, что высокие (с большой амплитудой) ПД будут распространяться по волокну большими скачками. Повышение возбудимости также приведет к увеличению длины скачков ПД вдоль волокна. То же касается и более круто нарастающих ПД, так как медленно нарастающие ПД, в частности, будут вызывать в соседних участках процесс аккомодации (см. выше, разд. «Аккомодация»), снижение возбудимости, а следовательно, и скорости распространения. Итак, повышение амплитуды и крутизны ПД и возбудимости мембраны приведет к росту скорости распространения ПД.

Распространение ПД по миелиновым нервным волокнам

Как уже говорилось, чем толще волокно и ниже плотность постоянно открытых каналов, тем быстрее проводится ПД. Для того чтобы максимально снизить плотность каналов, но в то же время дать возможность возникать ПД, природа пошла по пути создания миелиновых нервных волокон. Эти волокна окутаны изолятором -- шванновской оболочкой, периодически прерывающейся перехватами Ранвье. В области шванновской оболочки местные токи не могут проходить через мембрану и они замыкаются только в области перехватов Ранвье, где и возникают ПД. Таким образом, ПД распространяется по миелиновым волокнам особенно большими скачками, а следовательно, с высокой скоростью; такое распространение называют скачкообразным, или сальтаторным. Кроме того, к миелиновым волокнам относятся самые толстые нервные волокна, что еще больше увеличивает скорость распространения по ним возбуждения.

Типы нервных волокон

Нервные волокна различаются по наличию миелиновой оболочки, диаметру аксона и, соответственно, скорости распространения возбуждения. Самые быстрые процессы (например, управление скелетными мышцами) обеспечивают самые толстые и, разумеется, миелиновые волокна; напротив, за медленные процессы (например, передачу позднего компонента боли отвечают тонкие безмиелиновые волокна.

Размещено на Allbest.ru

...