Ионные основы потенциала действия: ионные каналы и ионные токи. Цикл Ходжкина

Натриевые каналы. Чем же обусловлена лавинообразная деполяризация мембраны при развитии ПД? Вспомним, что в состоянии покоя проницаемость клеточной мембраны для ионов калия примерно в сто раз выше, чем для ионов натрия. В свою очередь более высокая калиевая проницаемость, обусловлена присутствием в мембранах большого количества селективных калиевых ионных каналов. Характерной особенностью электровозбудимых клеток, является наличие в их плазматических мембранах большого числа натриевых каналов, однако в состоянии покоя они закрыты. Самоусиливающаяся деполяризация мембраны таких клеток обусловлена открытием специальных каналов, избирательно пропускающих ионы натрия в клетку. Особенность этих каналов заключается в том, что их можно активировать (т.е. открыть), снизив трансмембранную разность потенциалов. В результате возрастает проницаемость мембраны для ионов натрия. Под действием химического потенциала (внутри клетки концентрация ионов натрия примерно в десять раз меньше чем снаружи) и электрического поля в клетку начинают поступать положительные заряды, внутриклеточный потенциал становится все менее отрицательным и, наконец, меняется на положительный. Процессы, приводящие к открыванию или закрытию каналов, называют воротными. Детальный механизм этих процессов пока неизвестен. По-видимому, в покое натриевый канал механически перекрыт некой заряженной структурой, называемой m-воротами (рис. 12).

Рис. 12 Воротные процессы при возникновении ПД

При деполяризации мембраны, а деполяризация на 50 мв‚ приводит к изменению электрического напряжения порядка 100 000 в/см, возникшее изменение электрического поля приводит к конформационным изменениям открывающим m-ворота. Если к мембране приложен надпороговый деполяризующий стимул, то сначала произойдет открывание лишь части натриевых каналов. Через них в клетку войдет некоторое количество ионов натрия. Это приведет к еще большей деполяризации мембраны, что в свою очередь приведет к дальнейшему открытию натриевых каналов, и возрастанию натриевого тока по принципу положительной обратной связи. Такой "замкнутый круг", связывающий мембранный потенциал и натриевую проводимость, называется циклом Ходжкина. В результате цикла Ходжкина происходит открытие всех имеющихся в данной области мембраны натриевых каналов. Таким образом, если в покое соотношение проницаемости ионов натрия к ионам калия через клеточную мембрану равно 1:100 и мембранный потенциал (величина которого определяется уравнением Голдмана), близок к равновесному калиевому потенциалу:

Vм(пок.) = 0,058 lg = - 0,077 в‚ = - 77 мв,

где [К⁺]_внутр. =150 ммоль; [К⁺]_сн. =5,5 ммоль;

[Na⁺]_внутр. =15 ммоль; [Na⁺]_сн. =150 ммоль

то при максимальной величине ПД это соотношение становится равным 20:1 и величина мембранного потенциала становится близкой значению равновесного натриевого потенциала

Vоверш. = 0,058 lg = + 0,048 в‚ = + 48 мв.

Этим и объясняется появление овершута или реверсия заряда мембраны при развитии ПД. После периода раскрытия натриевые каналы инактивируются. Инактивация происходит в результате закрывания натриевого канала у внутренней поверхности так называемыми h-воротами. Закрытие h-ворот развивается автоматически и в среднем h-ворота закрываются через 1 мс после открывания m-ворот.

Одного закрытия натриевых каналов было бы достаточно, для постепенного спада потенциала действия и восстановления МП покоя за счет выхода ионов калия из клетки по электрохимическому градиенту. Однако процесс реполяризации существенно ускоряется благодаря открыванию дополнительно к существующим специальных потенциалзависимых калиевых каналов. (потенциалзависимые т.е. включаются или открываются под влиянием деполяризации мембраны, но значительно позже чем натриевые каналы). Ионы калия движутся из клетки по концентрационному градиенту и под действием электрического поля. При этом из клетки удаляются положительные заряды, а так как соотношение проницаемости ионов натрия к ионам калия через клеточную мембрану в этих условиях значительно больше, чем 1:100, например 1:200, то мембранный потенциал становится даже более отрицательным чем исходный МП покоя и развивается гиперполяризация мембраны.

Vм(гипер.) = 0,058 lg = - 0,080 в‚ = - 80 мв

Инактивация большей части натриевых каналов, гиперполяризация и высокая калиевая проводимость сохраняются в течение нескольких миллисекунд и обуславливают состояние абсолютной рефрактерности возбудимых клеток. В период относительной рефрактерности функциональная активность натриевых каналов восстанавливается, но сохраняются еще открытыми потенциалозависимые калиевые каналы, гиперполяризация и высокая калиевая проводимость мембраны. Если в этот период развивается ПД, то самоусиливающаяся деполяризация мембраны вследствие открытия натриевых каналов будет протекать на фоне повышенной калиевой проводимости и при максимальном числе открытых натриевых каналов соотношение натриевой и калиевой проницаемости мембраны будет не 20 к 1 (как при нормальном развитии ПД), а значительно меньше, например 10 к 1. И в соответствии с уравнением Голдмана положительное значение мембранного потенциала при максимальной величине ПД (овершут) также будет существенно меньше.

Vоверш. = 0,058 lg = + 0,040 в‚ = + 40 мв

Кроме натриевых и калиевых каналов во многих возбудимых клетках имеются кальциевые каналы. В некоторых случаях эти каналы хоть и открываются при деполяризации мембраны однако они не имеют отношения к развитию ПД. Кальций, который входит в клетки через эти каналы выполняет важные функции, которые будут рассмотрены на последующих лекциях. Но существуют клетки (гладкомышечные), где кальциевый ток способствует деполяризации мембраны наряду с натриевым током. Лечебные эффекты многих лекарственных препаратов и токсическое действие некоторых ядов обусловлено их способностью блокировать мембранные ионные каналы. Так тетродотоксин - вещество, выделенное из внутренних органов иглобрюха (рыбы, обитающей у берегов Японии) и один из сильнейших из известных ядов, способен внедряться в натриевые каналы и блокировать их. Блокаторами кальциевых каналов являются сердечные препараты верапамил и нифедипин, а калиевых - тетраэтиламоний и аминопиридины.