Мембранный потенциал и его происхождение

МП, или потенциал покоя, — это разность потенциалов между наружной и внутренней поверхностями мембраны в условиях покоя. В среднем у клеток возбудимых тканей он достигает 50—80 мВ, со знаком «—» внутри клетки. Обусловлен преимущественно иона­ми калия. Как известно, в клетках возбудимых тканей концентрация ионов калия достигает 150 ммоль/л, в среде — 4—5 ммоль (ионов калия намного больше в клетке, чем в среде). Поэтому по градиенту концентрации калий может выходить из клетки, и это происходит с участием калиевых каналов, часть которых открыта в условиях покоя. В результате из-за того, что мембрана непроницаема для анионов клетки (глутамат, аспартат, органические фосфаты), на внутренней поверхности клетки образуется избыток отрицательно заряжен­ных частиц, а на наружной — избыток положительно заряженных частиц. Возникает раз­ность потенциалов. Эта ситуация описывается уравнением Нернста:

п - ПX л* Кв** F ** Ki ■

Чем выше концентрация калия в среде — тем меньше это отношение, тем меньше вели­чина мембранного потенциала. Однако расчетная величина, как правило, ниже реальной, Например, по расчетам МП должен быть -90 мВ, а реально -70 мВ. Это расхождение обус­ловлено тем, что ионы натрия и хлора тоже вносят свой вклад в создание МП. В частности, известно, что натрия больше в среде (140 ммоль/л против 14 ммоль/л внутриклеточной). Поэтому натрий может войти в клетку. Но большая часть натриевых каналов в условиях покоя закрыта. Поэтому в клетку входит лишь небольшая часть ионов натрия. Но и этого достаточно, чтобы хотя бы частично компенсировать избыток анионов. Ионы хлора, наобо­рот, входят в клетку (частично) и вносят отрицательные заряды. В итоге величина мембран­ного потенциала определяется в основном калием, а также натрием и хлором. Формула Гольдмана-Ходжкина (см. в учебнике) описывает это явление.

Для того чтобы МП поддерживался на постоянном уровне, необходимо поддержание ионного гетерогенитета — ионной асимметрии. Для этого, в частности, служит калий-на­триевый насос (и хлорный), который восстанавливает ионную асимметрию, особенно по­сле акта возбуждения. Доказательством калиевой природы МП является наличие зависи­мости: чем выше концентрация калия в среде, тем меньше величина МП. Для дальнейшего изложения важно понятие; деполяризация (уменьшение МП, например, от минус 90 мВ до минус 70 мВ) и гйперполяризация — противоположное явление.

ПОТЕНЦИАЛ ДЕЙСТВИЯ

Потенциал действия— это кратковременное изменение разности потенциала между на­ружной и внутренней поверхностями мембраны (или между двумя точками ткани), возни­кающее в момент возбуждения. При регистрации потенциала действия с помощью микро­электродной техники наблюдается типичный пикообразный потенциал. В нем выделяют

следующие фазы или компоненты:

1. Локальный ответ — начальный этап деполяризации.

2. Фазу деполяризации — быстрое снижение мембранного потенциала до нуля и переза­
рядка мембраны (реверсия, или овершут).

3. Фазу реполяризации — восстановление исходного уровня мембранного потенциала;
в ней выделяют фазу быстрой реполяризации и фазу медленной реполяризации; в ейою оче­
редь, фаза медленной реполяризации представлена Следовыми процессами (потенциалами):
следовая негативность (следовая деполяризация) и следовая позитивность (следовая гипер­
поляризация). Амплитудно-временные характеристики потенциала действия нерва, скелет­
ной мышцы таковы: амплитуда потенциала действия 140—150 мВ; длительность пика по­
тенциала действия (фаза деполяризации + фаза реполяризации) составляет 1 —2 мс, дли­
тельность следовых потенциалов — 10—50 мс.

Форма потенциала действия (при внутриклеточном отведении) зависит от вида возбуди­мой ткани: у аксона нейрона, скелетной мышцы — пикообразные потенциалы, у гладких мышц в одних случаях пикообразные, в других — платообраэные (например, потенциал действия гладких мышц матки беременной женщины — платообразный, а длительность его составляет почти 1 мшгуту). У сердечной мышцы потенциал действия имеет платообразную форму.

При внеклеточной регистрации форма потенциала иная, и она зависит от того, какой вид отведения используется — монополярный или биполярный. При биполярном отведении в покое разность потенциалов между двумя точками ткани (например, между точкой 1 и 2) отсутствует. Когда появляется возбуждение, например, распространяющееся в направле­нии через точку 1 к точке 2 и далее, волна возбуждения достигает вначале электрода 1 — возникает разность потенциалов, при этом область у электрода I — электронегативна по отношению к области под электродом 2. Когда волна достигает области под электродом 2, то эта область становится электронегативной по отношению к области под электродом 1. В целом возникает двухфазное изменение разности потенциалов. При монополярном отве­дении в условиях, когда один из электродов заземлен, потенциал действия по форме одно­фазный, т. к. вторая область всегда имеет постоянный потенциал, равный 0.

Амплитудные характеристики: если при внутриклеточном отведении амплитуда ПД достигает 120— 150 мВ, то при внеклеточном отведении, особенно при дистантном отведе­нии, амплитуда ПД составляет всего 1—2 мВ (например, ЭКГ) или 100—200 мкВ (ЭЭГ). Иначе говоря, при внеклеточном отведении регистрируется только сотая часть потенциала. Важно подчеркнуть, что при внеклеточном отведении регистрируется активность множест­ва одиночных образований, которые в определенной степени могут возбуждаться асинхрон­но. Это отражается на реальной форме внеклеточно отводимого потенциала. Такова, на­пример, ситуация в отношении ЭКГ.

ПРИРОДА ПОТЕНЦИАЛА ДЕЙСТВИЯ

При исследовании ПД аксонов и сомы нервной клетки, ПД скелетной мышцы было ус­тановлено, что фаза деполяризации обусловлена значительным повышением проницаемос­ти для ионов натрия, которые входят в клетку в начале процесса возбуждения и таким обра­зом уменьшают существующую разность потенциала (деполяризация). Процесс этот имеет регенеративную природу — чем выше степень деполяризации, тем выше становится прони­цаемость натриевых каналов, тем больше входит ионов натрия в клетку и тем выше степень деполяризации. В этот период происходит не только снижение разности потенциалов до нуля, но и изменение поляризованное™ мембраны — на высоте пика ПД внутренняя по­верхность мембраны заряжена положительно по отношению к наружной (явление ревер­сии, или овершута). Однако бесконечно этот процесс идти не может: в результате закрытия инактивациоиных ворот натриевые каналы закрываются, и приток натрия в клетку прекра­щается. Затем наступает фаза реполяризации. Она связана с увеличением выхода из клетки ионов калия. Это происходит за счет того, что в результате деполяризации большая часть калиевых каналов, которые в условиях покоя были закрыты, открываются и «+» заряды

уходят за пределы клетки. Вначале этот процесс идет очень быстро, потом — медленно, по­этому фаза реполяризации вначале протекает быстро (нисходящая часть пика ПД), а потом медленно (следовая негативность). Этот же процесс чежит в основе фазы следовой гиперпо­ляризации. На фоне следовых потенциалов происходит активация калий-натриевого насоса. Если он работает в электронейтральном режиме (2 иона натрия вьшосятся из клетки в обмен на 2 вносимых в клетку иона калия), то на форме ПД этот процесс не отражается. Если же насос работает в электрогенном режиме, когда 3 иона натрия выносятся из клетки в обмен на 2 вносимых в клетку иона калия, то в результате на каждый такт работы насоса в клетку вносится на 1 катион меньше, чем выносится, поэтому в клетке постепенно возрастает избы­ток анионов, т. е. в таком режиме насос способствует появлению дополнительной разности потешдиааов. Это явление может лежать в основе фазы следовой гиперполяризации.

Если насос заблокировать, например, с помощью специфического блокатора — стро­фантина G (уабаин), то постепенно клетка перестает отвечать на раздражители, т. к. ион­ный гетерогенитет как основа электрической активности резко снизится,

Одним из доказательств того, что в аксонах, нейронах, скелетных мышцах ПД по приро­де натриевый, являются опыты с гипонатриевыми растворами: если ткань помещена в та­кой раствор, то величина амплитуды ПД снижается и тем на большую величину, чем мень­ше в среде содержание натрия. Блокаторы натриевых каналов, например, тетродотоксин, также приводят к ингибированию процесса генерации ПД, к снижению амплитудных и вре­менных характеристик ПД. Анестетики за счет их способности блокировать натриевые ка­налы тоже вызывают нарушение возбудимости, что используется в клинической практике для блокады проведения по нерву.

В сердечной мышце природа ПД иная: процесс деполяризации обусловлен ионами на­трия и кальция — эти ионы входят внутрь клетки в начале фазы деполяризация. Поэтому потенциал действия сердечной мышцы может частично уменьшаться блокаторами натрие­вой проницаемое га (тетродотоксином, новокаином), а частично — блокаторами кальцие­вой проницаемости (верапамилом, нифедипином). В настоящее время блокаторы кальцие­вой проницаемости используются с целью подавления активности клеток сердца в услови­ях клиники.

В гладких мышцах сосудов, желудка, кишечника, матки и других образований генера­ция; ПД связана с тем, что в момент возбуждения в клетку входят главным образом не ионы натрия, а ионы кальция. Поэтому блокаторы кальциевой проницаемости, типа верапамила, тормозят активность гладкомышечных клеток. Это используется в клинике, в частности, при лечении угрозы прерывания беременности, т. е. для ингибирования сократительной активности матки.