Потенціал дії

Потенціал дії - хвиля збудження, що переміщається по мембрані живий клітини в процесі передачі нервового сигналу. По суті своїй являє електричний розряд - швидке короткочасне зміна потенціалу на невеликій ділянці мембрани збудливої ​​клітини ( нейрона, м'язового волокна або залозистої клітини), в результаті якого зовнішня поверхня цієї ділянки стає негативно зарядженою по відношенню до сусідніх ділянок мембрани, тоді як його внутрішня поверхня стає позитивно зарядженою по відношенню до сусідніх ділянок мембрани. Потенціал дії є фізичною основою нервового або м'язового імпульсу, граючого сигнальну (регуляторну) роль.

Рис. 1. Схема розподілу зарядів по різні сторони мембрани збудливої ​​клітини в спокійному стані (A) і при виникненні потенціалу дії (B) (див. пояснення в тексті).

Потенціали дії можуть відрізнятися за своїми параметрами в залежності від типу клітини і навіть на різних ділянках мембрани однієї і тієї ж клітини. Найбільш характерний приклад відмінностей: потенціал дії серцевого м'яза і потенціал дії більшості нейронів. Тим не менш, в основі будь-якого потенціалу дії лежать наступні явища:

  1. Мембрана живої клітини поляризована - її внутрішня поверхня заряджена негативно по відношенню до зовнішньої завдяки тому, що в розчині біля її зовнішній поверхні знаходиться більша кількість позитивно заряджених частинок (катіонів), а біля внутрішньої поверхні - більша кількість негативно заряджених частинок (аніонів).
  2. Мембрана має виборчої проникністю - її проникність для різних частинок (атомів або молекул) залежить від їх розмірів, електричного заряду і хімічних властивостей.
  3. Мембрана збудливою клітини здатна швидко змінювати свою проніцаемост' для певного виду катіонів, викликаючи перехід позитивного заряду із зовнішнього боку на внутрішню (Рис.1).

Перші дві властивості характерні для всіх живих клітин. Третє ж є особливістю клітин збудливих тканин і причиною, по якій їх мембрани здатні генерувати і проводити потенціали дії.

Фази потенціалу дії
  1. Предспайк - процес повільної деполяризації мембрани до критичного рівня деполяризації (місцеве збудження, локальний відповідь).
  2. Піковий потенціал, або спайк, що складається з висхідної частини (деполяризація мембрани) і спадної частини (реполяризації мембрани).
  3. Негативний слідової потенціал - від критичного рівня деполяризації до вихідного рівня поляризації мембрани (слідова деполяризація).
  4. Позитивний слідової потенціал - збільшення мембранного потенціалу і поступове повернення його до початкової величині (слідова гіперполяризація).

1. Загальні положення

Рис. 2. A. Схематичне зображення ідеалізованого потенціалу дії. B. Реальний потенціал дії пірамідного нейрона гіпокампу щура. Форма реального потенціалу дії зазвичай відрізняється від ідеалізованої.

Поляризація мембрани живої клітини обумовлена ​​відмінністю іонного складу з її внутрішньої і зовнішньої сторони. Коли клітина знаходиться в спокійному (не збудженому) стані, іони по різні сторони мембрани створюють відносно стабільну різницю потенціалів, звану потенціалом спокою. Якщо ввести всередину живої клітини електрод і виміряти мембранний потенціал спокою, він буде мати негативне значення (порядку -70 - 90 мВ). Це пояснюється тим, що сумарний заряд на внутрішній стороні мембрани істотно менше, ніж на зовнішньому, хоча з обох сторін містяться і катіони, і аніони. Зовні - на порядок більше іонів натрію, кальцію і хлору, всередині - іонів калію і негативно заряджених білкових молекул, амінокислот, органічних кислот, фосфатів, сульфатів. Треба розуміти, що мова йде саме про заряд поверхні мембрани - в цілому середу і всередині, і зовні клітини заряджена нейтрально.

Потенціал мембрани може змінюватися під дією різних стимулів. Штучним стимулом може служити електричний ток, що подається на зовнішню або внутрішню сторону мембрани через електрод. У природних умовах стимулом часто служить хімічний сигнал від сусідніх клітин, що надходить через синапс або шляхом дифузної передачі через міжклітинну середу. Зсув мембранного потенціалу може відбуватися в негативну (гіперполяризація) або позитивну (деполяризація) сторону.

У нервовій тканині потенціал дії, як правило, виникає при деполяризації - якщо деполяризація мембрани нейрона досягає деякого порогового рівня або перевищує його, клітина збуджується, і від її тіла до аксонах і дендрита поширюється хвиля електричного сигналу. (У реальних умовах на тілі нейрона зазвичай виникають постсинаптичні потенціали, які сильно відрізняються від потенціалу дії за своєю природою - наприклад, вони не підкоряються принципу "все або нічого". Ці потенціали перетворюються в потенціал дії на особливому ділянці мембрани - аксони горбку, так що потенціал дії не поширюється на дендрити).

Рис. 3. Найпростіша схема, що демонструє мембрану з двома натрієвими каналами у відкритому і закритому стані, відповідно

Це обумовлено тим, що на мембрані клітини знаходяться іонні канали - білкові молекули, що утворюють в мембрані пори, через які іони можуть проходити з боку мембрани на зовнішню і навпаки. Більшість каналів іоноспеціфічни - натрієвий канал пропускає практично тільки іони натрію і не пропускає інші (це явище називають селективністю). Мембрана клітин збудливих тканин (нервової та м'язової) містить велику кількість потенціал-залежних іонних каналів, здатних швидко реагувати на зсув мембранного потенціалу. Деполяризація мембрани в першу чергу викликає відкриття потенціал-залежних натрієвих каналів. Коли одночасно відкривається досить багато натрієвих каналів, позитивно заряджені іони натрію спрямовуються через них на внутрішню сторону мембрани. Рушійна сила в даному випадку забезпечується градієнтом концентрації (із зовнішнього боку мембрани знаходиться набагато більше позитивно заряджених іонів натрію, ніж усередині клітини) і негативним зарядом внутрішньої сторони мембрани (див. Рис. 2). Потік іонів натрію викликає ще більше і дуже швидка зміна мембранного потенціалу, яке і називають потенціалом дії (в спеціальній літературі позначається ПД).

Відповідно до закону "все-або-нічого" мембрана клітини збудливої ​​тканини або не відповідає на стимул зовсім, або відповідає з максимально можливою для неї на даний момент силою. Тобто, якщо стимул занадто слабкий і порогу не досягнуто, потенціал дії не виникає зовсім; в той же час, пороговий стимул викличе потенціал дії такої ж амплітуди, як і стимул, що перевищує пороговий. Це аж ніяк не означає, що амплітуда потенціалу дії завжди однакова - один і той же ділянку мембрани, перебуваючи в різних станах, може генерувати потенціали дії різної амплітуди.

Після порушення нейрон на деякий час виявляється в стані абсолютної рефрактерності, коли ніякі сигнали не можуть його порушити знову, потім входить у фазу відносної рефрактерності, коли його можуть порушити виключно сильні сигнали (при цьому амплітуда ПД буде нижчою, ніж зазвичай). Рефрактерний період виникає через інактивації швидкого натрієвого струму, тобто інактивації натрієвих каналів (див. нижче).


2. Поширення потенціалу дії

2.1. Поширення потенціалу дії по неміелінізірованним волокнах

По не міелінізірованние волокну ПД поширюється безперервно. Проведення нервового імпульсу починається з поширенням електричного поля. Виниклий ПД за рахунок електричного поля здатний деполярізована мембрану сусідньої ділянки до критичного рівня, в результаті чого на сусідній ділянці генеруються нові ПД. Самі ПД не переміщуються, вони зникають там же, де виникають. Головну роль у виникненні нового ПД грає попередній.

Якщо внутрішньоклітинним електродом дратувати аксон посередині, то ПД буде поширюватися в обох напрямках. Зазвичай же ПД поширюється по аксону в одному напрямку (від тіла нейрона до нервових закінчень), хоча деполяризація мембрани відбувається по обидві сторони від ділянки, де в даний момент виник ПД. Одностороннє проведення ПД забезпечується властивостями натрієвих каналів - після відкривання вони на деякий час інактивуються і не можуть відкритися ні при яких значеннях мембранного потенціалу (властивість рефрактерності). Тому на ближньому до тіла клітини дільниці, де до цього вже "пройшов" ПД, він не виникає.

За інших рівних умов поширення ПД по аксону відбувається тим швидше, чим більше діаметр волокна. За гігантського аксона кальмара ПД може поширюватися майже з такою ж швидкістю, як і по міелінізірованним волокнах хребетних (близько 100 м / c).


2.2. Поширення потенціалу дії по міелінізірованним волокнах

За міелінізірованние волокна ПД поширюється стрибкоподібно (сальтаторное проведення). Для міелінізірованних волокон характерна концентрація потенціалзалежні іонних каналів тільки в областях перехоплень Ранвей; тут їх щільність в 100 разів більше, ніж в мембранах безміелінових волокон. В області мієлінових муфт потенціалзалежні каналів майже немає. ПД, що виник в одному перехоплення Ранвье, за рахунок електричного поля деполяризує мембрану сусідніх перехоплень до критичного рівня, що призводить до виникнення в них нових ПД, тобто порушення переходить стрибкоподібно, від одного перехоплення до іншого. У разі пошкодження одного перехоплення Ранвей ПД збуджує 2-й, 3-ій, 4-й і навіть 5-й, оскільки електроізоляція, створювана мієлінових муфтами, зменшує розсіювання електричного поля. Це збільшує швидкість поширення ПД по міелінізірованним волокнах в порівнянні з неміелінізірованнимі. Крім того, міелінізірованние волокна товщі, а електричний опір більш товстих волокон менше, що теж збільшує швидкість проведення імпульсу по міелінізірованним волокнах. Іншою перевагою сальтаторного проведення є його економічність в енергетичному плані, так як порушуються тільки перехоплення Ранвье, площа яких менше 1% мембрани, і, отже, необхідно значно менше енергії для відновлення трансмембранних градієнтів Na + і K +, расходующихся в результаті виникнення ПД, що може мати значення при високій частоті розрядів, що йдуть по нервовому волокну.

Щоб уявити, наскільки ефективно може бути збільшена швидкість проведення за рахунок мієлінової оболонки, досить порівняти швидкість поширення імпульсу по неміелінізірованним і міелінізірованним ділянкам нервової системи людини. При діаметрі волокна близько 2 μм і відсутності мієлінової оболонки швидкість проведення буде складати ~ 1 м / с, а при наявності навіть слабкої мієлінізації при тому ж діаметрі волокна - 15-20 м / с. У волокнах більшого діаметру, що володіють товстої міелінововой оболонкою, швидкість проведення може досягати 120 м / с.

Швидкість поширення потенціалу дії по мембрані окремо взятого нервового волокна аж ніяк не є постійною величиною - в залежності від різних умов, ця швидкість може дуже значно зменшуватися і, відповідно, збільшуватися, повертаючись до якогось вихідного рівня.


3. Активні властивості мембрани

Схема будови мембрани клітини.

Активні властивості мембрани, що забезпечують виникнення потенціалу дії, грунтуються головним чином на поведінці потенціалзалежні натрієвих (Na +) і калієвих (K +) каналів. Початкова фаза ПД формується входять натрієвим струмом, пізніше відкриваються калієві канали і виходить K +-струм повертає потенціал мембрани до вихідного рівня. Вихідну концентрацію іонів потім відновлює натрій-калієвий насос.

По ходу ПД канали переходять зі стану в стан: у Na + каналів основних станів три - закрите, відкрите і інактивовані (в реальності справа складніша, але цих трьох достатньо для опису), у K + каналів два - закрите і відкрите.

Поведінка каналів, що беруть участь у формуванні ПД, описується через провідність і висчіляется через коефіцієнти переносу (трансферу).

Коефіцієнти переносу були виведені Ходжкіна і Хакслі. [1] [2]


3.1. Провідність для калію G K на одиницю площі [S / cm ]

~ G_K = G_ {Kmax} n ^ 4
~ Dn / dt = \ alpha_n (1 - n) - \ beta_n n ,
де:
~ \ Alpha_n - Коефіцієнт трансферу із закритого у відкрите стан для K + каналів [1 / s];
~ \ Beta_n - Коефіцієнт трансферу з відкритого в закритий стан для K + каналів [1 / s];
~ N - Фракція К + каналів у відкритому стані;
~ (1 - n) - Фракція К + каналів в закритому стані

3.2. Провідність для натрію G Na на одиницю площі [S / cm ]

розраховується складніше, оскільки, як уже було сказано, у потенціал-залежних Na + каналів, крім закритого / відкритого станів, перехід між якими описується параметром ~ M , Є ще інактивована / не-інактивована стану, перехід між якими описується через параметр ~ H

~ G_ {Na} = G_ {Na (max)} m ^ 3h
~ Dm / dt = \ alpha_m (1 - m) - \ beta_m m , ~ Dh / dt = \ alpha_h (1 - h) - \ beta_h h ,
де: де:
~ \ Alpha_m - Коефіцієнт трансферу із закритого у відкрите стан для Na + каналів [1 / s]; ~ \ Alpha_h - Коефіцієнт трансферу з інактивованого в не-інактивованих стан для Na + каналів [1 / s];
~ \ Beta_m - Коефіцієнт трансферу з відкритого в закритий стан для Na + каналів [1 / s]; ~ \ Beta_h - Коефіцієнт трансферу з не-інактивованого в інактивована стан для Na + каналів [1 / s];
~ M - Фракція Na + каналів у відкритому стані; ~ H - Фракція Na + каналів в не-інактивованої стані;
~ (1 - m) - Фракція Na + каналів в закритому стані ~ (1 - h) - Фракція Na + каналів в інактивована стані.

Література

  1. Hodgkin AL, Huxley AF (1952) A quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve. J. Physiol. (Lond.) 117: 500-544. PMID 12991237 free full text (Англ.)
  2. J.Malmivuo, R.Plonsey. Bioelectromagnetism. Oxford University Press. New York, Oxford. 1995. free full text (Англ.)