Регенераторный деполяризация. Понятие о возбудимости

При потенциале действия внутриклеточный потенциал становится положительным, так как возбужденная мембрана временно приобретает большую проницаемость для Na + (по сравнению с К +), поэтому мембранный потенциал на какое-то время приближается по величине к потенциалу равновесия ионов натрия (E Na)- Е Nа можно определить, используя отношение Нернста; при внеклеточной и внутриклеточной концентрации Na + 150 и 10 мМ соответственно он составит:

Указанные выше изменения проницаемости, вызывающие развитие фазы деполяризации потенциала действия, возникают вследствие открытия и закрытия особых мембранных каналов, или пор, через которые легко проходят ионы натрия. Как полагают, работа «ворот» регулирует открытие и закрытие отдельных каналов, которые могут существовать по меньшей мере в трех конформациях - «открытой», «закрытой» и «инактивированной». Одни ворота, соответствующие активационной переменной «m » в описании Ходжкина - Хаксли ионных потоков натрия в мембране гигантского аксона кальмара, быстро перемещаются, открывая канал, когда мембрана внезапно деполяризуется под действием стимула. Другие ворота, соответствующие инактивационной переменной «h » в описании Ходжкина - Хаксли, при деполяризации движутся медленнее, и их функция заключается в закрытии канала (рис. 3.3). Как установившееся распределение ворот в пределах системы каналов, так и скорость их перехода из одного положения в другое зависят от уровня мембранного потенциала. Поэтому для описания мембранной проводимости Na + используются термины «зависимый от времени» и «потенциалозависимый».

Если мембрану в покое внезапно деполяризовать до уровня положительного потенциала (например, в эксперименте по фиксации потенциала), то активационные ворота быстро изменят свое положение, чтобы открыть натриевые каналы, а затем инактивационные ворота медленно их закроют (рис. 3.3). Слово «медленно» означает здесь, что на инактивацию уходит несколько миллисекунд, тогда как активация происходит в доли миллисекунды. Ворота остаются в указанных положениях до тех пор, пока мембранный потенциал снова не изменится, и для того чтобы все ворота вернулись к исходному состоянию покоя, мембрана должна быть полностью реполяризована до уровня высокого отрицательного потенциала. Если мембрана реполяризуется лишь до невысокого уровня отрицательного потенциала, то некоторые инактивационные ворота останутся закрытыми и максимальное число доступных натриевых каналов, способных открыться при последующей деполяризации, сократится . (Электрическая активность сердечных клеток, в которых натриевые каналы полностью инактивированы, будет обсуждаться ниже.) Полная реполяризация мембраны в конце нормального потенциала действия обеспечивает возврат всех ворот к исходному состоянию и, следовательно, их готовность к следующему потенциалу действия.

Рис. 3.3. Схематическое изображение мембранных каналов для входящих потоков ионов при потенциале покоя, а также при активации и инактивации.

Слева показана последовательность состояний канала при нормальном потенциале покоя -90 мВ. В покое инактивационные ворота как Na + -канала (h), так и медленного Ca 2+ /Na + -канала (f) открыты. Во время активации при возбуждении клетки т-ворота Na + -канала открываются и входящий поток ионовNa + деполяризует клетку, что приводит к нарастанию потенциала действия (график внизу). Затем h-ворота закрываются, инактивируя таким образом проводимостьNa + . При нарастании потенциала действия мембранный потенциал превышает более положительный порог потенциала медленных каналов; их активационные ворота (d) при этом открываются и ионы Ca 2+ и Na + поступают в клетку, вызывая развитие фазы плато потенциала действия. Ворота f, инактивирующие Ca 2+ /Na + -каналы, закрываются гораздо медленнее, чем ворота h, которые инактивируют Na-каналы. На центральном фрагменте показано поведение канала при снижении потенциала покоя до менее чем -60 мВ. Большинство инактивационных ворот Na-канала остается закрытым до тех пор, пока мембрана деполяризована; возникающий при стимуляции клетки входящий потокNa + слишком мал, чтобы вызвать развитие потенциала действия. Однако инактивационные ворота (f) медленных каналов при этом не закрываются и, как показано на фрагменте справа, при достаточном возбуждении клетки, позволяющем открыть медленные каналы и пропустить медленно входящие потоки ионов, возможно ответное медленное развитие потенциала действия.

Рис. 3.4. Пороговый потенциал при возбуждении сердечной клетки.

Слева - потенциал действия, возникающий на уровне потенциала покоя, составляющем -90 мВ; это происходит при возбуждении клетки поступающим импульсом или каким-либо подпороговым стимулом, быстро понижающим мембранный потенциал до значений, лежащих ниже порогового уровня в - 65 мВ. Справа - эффекты двух подпороговых и порогового стимулов. Подпороговые стимулы (а и б) не дают снижения мембранного потенциала до порогового уровня; следовательно, потенциал действия не возникает. Пороговый стимул (в) снижает мембранный потенциал точно до порогового уровня, на котором затем возникает потенциал действия .

Быстрая деполяризация в начале потенциала действия вызывается мощным входящим потоком ионов натрия, поступающих внутрь клетки (соответственно градиенту их электрохимического потенциала) через открытые натриевые каналы . Однако прежде всего натриевые каналы должны быть эффективно открыты, для чего требуется быстрая деполяризация достаточно большой площади мембраны до необходимого уровня, называемого пороговым потенциалом (рис. 3.4). В эксперименте этого можно достичь, пропуская через мембрану ток из внешнего источника и используя внеклеточный или внутриклеточный стимулирующий электрод. В естественных условиях той же цели служат локальные токи, протекающие через мембрану непосредственно перед распространяющимся потенциалом действия. При пороговом потенциале достаточное количество натриевых каналов оказывается открытым, что обеспечивает необходимую амплитуду входящего натриевого тока и, следовательно, дальнейшую деполяризацию мембраны; в свою очередь деполяризация вызывает открытие большего числа каналов, приводя к увеличению входящего потока ионов, так что процесс деполяризации становится регенеративным. Скорость регенеративной деполяризации (или нарастания потенциала действия) зависит от силы входящего натриевого тока, которая в свою очередь определяется такими факторами, как величина градиента электрохимического потенциала Na + и количество доступных (или неинактивированных) натриевых каналов. В волокнах Пуркинье максимальная скорость деполяризации при развитии потенциала действия, обозначаемая как dV/dt max или V max , достигает примерно 500 В/с, и если бы такая скорость поддерживалась в течение всей фазы деполяризации от -90 мВ до +30 мВ, то изменение потенциала на 120 мВ заняло бы около 0,25 мс. Максимальная скорость деполяризации волокон рабочего миокарда желудочков составляет примерно 200 В/с, а мышечных волокон предсердий-от 100 до 200 В/с . (Фаза деполяризации потенциала действия в клетках синусового и атриовентрикулярного узлов существенно отличается от только что описанной и будет обсуждаться отдельно; см. ниже.)

Потенциалы действия с такой высокой скоростью нарастания (их часто называют «быстрыми ответами») быстро распространяются по сердцу. Скорость распространения потенциала действия (как и V max) в клетках с одинаковой пропускной способностью мембраны и характеристиками осевого сопротивления определяется главным образом амплитудой направленного внутрь тока, протекающего во время фазы нарастания потенциала действия. Это связано с тем, что локальные токи, проходящие через клетки непосредственно перед потенциалом действия, имеют большую величину при более быстром нарастании потенциала, поэтому мембранный потенциал в этих клетках раньше достигает порогового уровня, чем в случае токов меньшей величины (см. рис. 3.4). Конечно, эти локальные токи протекают через клеточную мембрану и сразу после прохождения распространяющегося потенциала действия, но они уже неспособны возбудить мембрану ввиду ее рефрактерности.

Рис. 3.5. Нормальный потенциал действия и реакции, вызванные стимулами на разных стадиях реполяризации.

Амплитуда и возрастание скорости ответов, вызванных во время реполяризации, зависят от уровня мембранного потенциала, на котором они возникают. Самые ранние ответы (а и б) возникают на столь низком уровне, что оказываются слишком слабыми и неспособными к распространению (градуальные или местные ответы). Ответ «в» представляет собой наиболее ранний из распространяющихся потенциалов действия, но его распространение происходит медленно ввиду незначительного возрастания скорости, а также низкой амплитуды. Ответ «г» появляется точно перед полной реполяризацией, скорость его усиления и амплитуда выше, чем при ответе «в», так как он возникает при более высоком мембранном потенциале; однако скорость его распространения становится ниже нормальной. Ответ «д» отмечается после полной реполяризации, поэтому его амплитуда и скорость деполяризации имеют нормальные значения; следовательно, он быстро распространяется. ПП - потенциал покоя.

Низкая скорость нарастания потенциалов действия, вызванных в течение относительного рефрактерного периода, обусловливает их медленное распространение; такие потенциалы действия могут послужить причиной некоторых нарушений проведения, например задержки, затухания и блокирования, и даже способны вызвать циркуляцию возбуждения. Данные явления обсуждаются ниже в этой главе.

В нормальных сердечных клетках за входящим натриевым током, ответственным за быстрое нарастание потенциала действия, следует второй входящий ток, меньшей величины и более медленный, чем натриевый ток, который, по-видимому, переносится в основном ионами кальция . Этот ток обычно относят к «медленному входящему току» (хотя он является таковым только в сравнении с быстрым натриевым током; другие важные изменения, например наблюдаемые во время реполяризации, вероятно, замедляются); он протекает через каналы, которые в соответствии с характеристиками их проводимости, зависящей от времени и вольтажа, были названы «медленными каналами» (см. рис. 3.3) . Порог активации этой проводимости (т. е. когда начинают открываться активационные ворота - d) лежит между -30 и -40 мВ (сравните: от -60 до -70 мВ для натриевой проводимости) . Регенеративная деполяризация, обусловленная быстрым натриевым током, обычно активирует проводимость медленного входящего тока, поэтому в более поздний период нарастания потенциала действия ток течет по каналам обоих типов. Однако ток Са 2+ гораздо меньше максимального быстрого тока Na + , поэтому его вклад в потенциал действия весьма невелик до тех пор, пока быстрый ток Na + не станет достаточно инактивированным (т. е. после начального быстрого нарастания потенциала). Поскольку медленный входящий ток может инактивироваться лишь очень медленно, он вносит свой вклад в основном в фазу плато потенциала действия. Так, уровень плато смещается в сторону деполяризации, когда градиент электрохимического потенциала для Са 2+ увеличивается при повышении концентрации [Са 2+ ] 0 ; снижение [Са 2+ ] 0 вызывает смещение уровня плато в противоположную сторону . Однако в некоторых случаях может отмечаться вклад кальциевого тока в фазу нарастания потенциала действия. Например, на кривой нарастания потенциала действия в миокардиальных волокнах желудочка лягушки иногда наблюдается изгиб около 0 мВ, в точке, где первоначальная быстрая деполяризация уступает место более медленной деполяризации, которая продолжается до пика овершута потенциала действия. Как было показано, скорость более медленной деполяризации и величина овершута возрастают с повышением [Са 2+ ] 0 .

Кроме различной зависимости от мембранного потенциала и времени, эти два типа проводимости различаются и по своим фармакологическим характеристикам. Так, ток через быстрые каналы для Na + снижается под действием тетродотоксина (ТТХ) , тогда как медленный ток Са 2+ не поддается влиянию ТТХ , но усиливается под действием катехоламинов и угнетается ионами марганца , а также некоторыми препаратами, такими как верапамил и D-600 . Представляется весьма вероятным (по крайней мере в сердце лягушки), что большая часть кальция, необходимого для активации белков, способствующих каждому сокращению сердца, попадает в клетку во время потенциала действия через медленный канал для входящего тока. У млекопитающих доступным дополнительным источником Са 2+ для сердечных клеток служат его запасы в саркоплазматическом ретикулуме.

Биологическая мембрана, Толщина мембран 7-10 нм, состоит из двойного слоя фосфолипидов: гидрофильные части (головки) направлены к поверхности мембраны; гидрофобные части (хвосты) направлены внутрь мембраны. Гидрофобные концы стабилизируют мембрану в виде бислоя

ФУНКЦИИ МЕМБРАН СТРУКТУРНАЯСТРУКТУРНАЯ. ЗАЩИТНАЯ.ЗАЩИТНАЯ. ФЕРМЕНТАТИВНАЯФЕРМЕНТАТИВНАЯ СОЕДИНИТЕЛЬНАЯ ИЛИ АДГЕЗИВНАЯ (обуславливает существование многоклеточных организмов). РЕЦЕПТОРНАЯРЕЦЕПТОРНАЯ. АНТИГЕННАЯАНТИГЕННАЯ. ЭЛЕКТРОГЕННАЯЭЛЕКТРОГЕННАЯ ТРАНСПОРТНАЯТРАНСПОРТНАЯ.

СВЯЗЬ МЕЖДУ КЛЕТКАМИ КЛЕТКА сигнальная молекула (первый посредник) или лиганд КЛЕТКА сигнальная молекула (первый посредник) или лиганд молекула мембраны (канал или рецептор) молекула мембраны (канал или рецептор) КЛЕКТИ-МИШЕНИ молекулы клетки или вторые посредники каскад ферментативных реакций изменение функции клетки КЛЕКТИ-МИШЕНИ молекулы клетки или вторые посредники каскад ферментативных реакций изменение функции клетки

РЕЦЕПТОРЫ МЕМБРАН Это молекулы (белки, глико- или липопротеины), чувствительные к биологически активным веществам – лигандам Это молекулы (белки, глико- или липопротеины), чувствительные к биологически активным веществам – лигандам Лиганды – внешние раздражители для клетки Лиганды – внешние раздражители для клетки Рецепторы – высокоспецифичны или селективны Рецепторы – высокоспецифичны или селективны

МЕХАНИЗМ РАБОТЫ РЕЦЕПТОРОВ Мембранные рецепторы регистрируют наличие лиганда: передают сигнал внутриклеточным химическим соединениям вторым посредникам – МЕССЕНДЖЕРАМ 2. 2.Регулируют состояние ионных каналов

СВОЙСТВА ИОННЫХ КАНАЛОВ 1.Селективность - 1.Селективность - каждый канал пропускает только определенный («свой») ион Может находится в разных функциональных состояниях: закрытый, но готовый к открытию (1) открытый – активированный (2) Инактивированный (3)

Гиперполяризация Увеличение разности ПД между сторонами мембраны Увеличение разности ПД между сторонами мембраныДЕПОЛЯРИЗАЦИЯ Уменьшение разности потенциалов между сторонами мембраны Уменьшение разности потенциалов между сторонами мембраныРЕПОЛЯРИЗАЦИЯ Увеличение величины МП после деполяризации.

МЕМБРАННЫЙ ПОТЕНЦИАЛ ПОКОЯ Это разность потенциалов между наружной и внутренней поверхностью мембраны возбудимой клетки, находящейся в состоянии покоя. Потенциал покоя регистрируется внутриклеточным микроэлектродом по отношению к референтному внеклеточному электроду.

Градиент Это вектор, показывающий разницу между наибольшим и наименьшим значением какой-либо величины в разных точках пространства, а также указывающий на степень этого изменения. Это вектор, показывающий разницу между наибольшим и наименьшим значением какой-либо величины в разных точках пространства, а также указывающий на степень этого изменения.

ФАКТОРЫ, ФОРМИРУЮЩИЕ МП 1. ИОННАЯ АСИМЕТРИЯ Концентрационный градиент калия Концентрационный градиент калия Концентрационный градиент натрия Концентрационный градиент натрия = p = 8-10p

2.Полупроницаемость мембраны K + Na + Cl - Белок

«Электрический градиент» Это сила, создаваемая электрическим полем трансмембранной разности потенциалов Это сила, создаваемая электрическим полем трансмембранной разности потенциалов Выход калия наружу уменьшает концентрационный градиент, а электри- ческий – увеличивает. Выход калия наружу уменьшает концентрационный градиент, а электри- ческий – увеличивает. В результате величина градиентов выравнивается В результате величина градиентов выравнивается

«Электрический градиент» Трансмембранная разность потенциалов создает электрическое поле, а следовательно и электрический градиент Трансмембранная разность потенциалов создает электрическое поле, а следовательно и электрический градиент По мере выхода калия наружу концентрационный градиент уменьшается, а электрический – растет. По мере выхода калия наружу концентрационный градиент уменьшается, а электрический – растет. В результате наступает выравнивание двух градиентов В результате наступает выравнивание двух градиентов

Равновесный потенциал равновесное состояние - это такая величина электрического заряда мембраны, которая полностью уравновешивает концентрационный градиент для определенного иона и суммарный ток этого иона будет равен 0. равновесное состояние - это такая величина электрического заряда мембраны, которая полностью уравновешивает концентрационный градиент для определенного иона и суммарный ток этого иона будет равен 0. Равновесный потенциал для калия = -86 мВ (Ек+ = -86 мВ) Равновесный потенциал для калия = -86 мВ (Ек+ = -86 мВ)

Состояние покоя для клетки Мембрана немного проницаема для натрия, что уменьшает разность зарядов и величину электрического градиента Мембрана немного проницаема для натрия, что уменьшает разность зарядов и величину электрического градиента Калий выходит из клетки Калий выходит из клетки

Механизмы поддержания ионной асимметрии Электрический заряд на мембране – способствует входу калия в клетку и тормозит его выход Электрический заряд на мембране – способствует входу калия в клетку и тормозит его выход Калий-натриевый насос – активный транспорт, который переносит через мембрану ионы против концентрационного градиента Калий-натриевый насос – активный транспорт, который переносит через мембрану ионы против концентрационного градиента

ФУНКЦИИ КАЛИЙ- НАТРИЕВОГО НАСОСА Активный транспорт ионов Активный транспорт ионов АТФ-азная ферментативная активность АТФ-азная ферментативная активность Поддержание ионной асимметрии Поддержание ионной асимметрии Усиление поляризации мембраны – электрогенный эффект Усиление поляризации мембраны – электрогенный эффект

Деполяризация Возникает при открытии натриевых каналов Возникает при открытии натриевых каналов Натрий входит в клетку: Натрий входит в клетку: уменьшает отрицательный заряд на внутренней поверхности мембраны уменьшает отрицательный заряд на внутренней поверхности мембраны уменьшает электрическое поле вокруг мембраны уменьшает электрическое поле вокруг мембраны Степень деполяризации зависит от количества открытых каналов для натрия Степень деполяризации зависит от количества открытых каналов для натрия

КРИТИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ ДЕПОЛЯРИЗАЦИИИ Е кр Уровень деполяризации, при котором открывается максимально возможное количество натриевых каналов (все каналы для натрия открыты) Уровень деполяризации, при котором открывается максимально возможное количество натриевых каналов (все каналы для натрия открыты) Поток ионов натрия «лавиной» устремляется в клетку Поток ионов натрия «лавиной» устремляется в клетку Начинается регенеративная деполяризация Начинается регенеративная деполяризация

Порог деполяризации Разность между величиной исходной поляризации мембраны (Е 0) и критическим уровнем деполяризации (Е кр) Разность между величиной исходной поляризации мембраны (Е 0) и критическим уровнем деполяризации (Е кр) Δ V= Е 0 - Е кр Δ V= Е 0 - Е кр При этом ток натрия превышает ток калия в 20 раз! При этом ток натрия превышает ток калия в 20 раз! Зависит от соотношения активированных натриевых и калиевых каналов Зависит от соотношения активированных натриевых и калиевых каналов

Закон «все или ничего» Подпороговый раздражитель вызывает местную деполяризацию («ничего») Подпороговый раздражитель вызывает местную деполяризацию («ничего») Пороговый раздражитель вызывает максимально возможный ответ («Все») Пороговый раздражитель вызывает максимально возможный ответ («Все») Сверхпороговый раздражитель вызывает такой же ответ, что и пороговый Сверхпороговый раздражитель вызывает такой же ответ, что и пороговый Т.о. ответ клетки не зависит от силы раздражителя. Т.о. ответ клетки не зависит от силы раздражителя.

ЛО Свойства ЛО 1. Не подчиняется закону «все или ничего» Амплитуда ЛО зависит от силы стимула Распространяется по мембране затуханием (декрементом) Может суммироваться (в результате амплитуда деполяризации увеличивается) Трансформируется в потенциал действия при достижении уровня критической деполяризации

Потенциал действия (ПД) Это разность потенциалов между возбужденным и невозбужденным участками мембраны, которая возникает в результате быстрой деполяризации мембраны с последующей ее перезарядкой. Это разность потенциалов между возбужденным и невозбужденным участками мембраны, которая возникает в результате быстрой деполяризации мембраны с последующей ее перезарядкой. Амплитуда ПД около 120 – 130 мкВ, длительность (в среднем) - 3 – 5 мс Амплитуда ПД около 120 – 130 мкВ, длительность (в среднем) - 3 – 5 мс (в разных тканях от 0,01мс до 0,3 с). (в разных тканях от 0,01мс до 0,3 с).

Е0Е0 Е кр мВ

Условия возникновения ПД Деполяризация должна достигнуть критического уровня деполяризации Деполяризация должна достигнуть критического уровня деполяризации Ток натрия в клетку должен превышать ток калия из клетки в 20 раз (каналы для натрия быстропроводящие, а для калия – медленные) Ток натрия в клетку должен превышать ток калия из клетки в 20 раз (каналы для натрия быстропроводящие, а для калия – медленные) Должна развиться регенеративная деполяризация Должна развиться регенеративная деполяризация

Е0Е0 Е кр 0 +30

Раздражение Это процесс воздействия на клетку Это процесс воздействия на клетку Эффект воздействия зависит как от качественных и количественных характеристик раздражителя, так и свойств самой клетки Эффект воздействия зависит как от качественных и количественных характеристик раздражителя, так и свойств самой клетки

ЗАКОНЫ РАЗДРАЖЕНИЯ Это комплекс правил, описывающих требования, которым должен подчиняться раздражитель, чтобы он мог вызвать процесс возбуждения. К ним относятся: полярный закон закон силы закон времени (длительности действия) закон крутизны (времени нарастания силы)

69 Законы раздражения Закон силы Закон силы – чтобы возник ПД, сила стимула должна быть не меньше пороговой величины. Закон времени Закон времени – чтобы возник ПД, время дейстия стимула должно быть не меньше пороговой величины Закон крутизны Закон крутизны – чтобы возник ПД, крутизна стимула должна быть не меньше пороговой величины

Зависимость силы от времени действия Р – реобаза – это минимальная сила тока, вызывающая возбуждение ПВ – полезное время – ми- нимальное время действия раздражающего импульса силой в одну реобазу, необходимое для возбуждения. Хр – хронаския - минимальное время действия раздражающего импульса силой в 2 реобазы необходимое для возикновенния ПД.

Аккомодация Это способность ткани приспосабливаться к длительно действующему раздражителю. При этом сила его также увеличивается медленно (маленькая крутизна) Это способность ткани приспосабливаться к длительно действующему раздражителю. При этом сила его также увеличивается медленно (маленькая крутизна) Происходит смещение критического уровня деполяризации в сторону нуля Происходит смещение критического уровня деполяризации в сторону нуля Натриевые каналы открываются не одновременно и ток натрия в клетку компенсируется током калия из клетки. ПД не возникает, т.к. нет регенеративной деполяризации Натриевые каналы открываются не одновременно и ток натрия в клетку компенсируется током калия из клетки. ПД не возникает, т.к. нет регенеративной деполяризации Аккомодация проявляется в увеличении пороговой силы стимула при уменьшении крутизны нарастании стимула – чем меньше крутизна, тем больше пороговая сила В основе аккомодации ткани лежит процесс инактивации натриевых каналов. Поэтому чем меньше крутизна нарас- тания стимула – тем больше инактивируется натриевых каналов – происходит смещение уровня критической деполяризации и возрастает пороговая сила стимула. Если крутизна нарастания стимула будет меньше порого- вой величины, то ПД не возникает и будет наблюдаться только локальный ответ.

ЭЛЕКТРОТОН ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЙ Изменения возбудимости мембраны при длительном воздействии на нее постоянного тока подпороговой силы. катэлектротон -При этом под катодом развивается катэлектротон - увеличение возбудимости. анэлектротонпод анодом – анэлектротон - снижение возбудимости.

Электротон. А – катэлектротон. 1 – начальное повышение возбудимости: V1 V. Б – анэлектротон, понижение возбудимости: V1 > V. V. Б – анэлектротон, понижение возбудимости: V1 > V."> V. Б – анэлектротон, понижение возбудимости: V1 > V."> V. Б – анэлектротон, понижение возбудимости: V1 > V." title="Электротон. А – катэлектротон. 1 – начальное повышение возбудимости: V1 V. Б – анэлектротон, понижение возбудимости: V1 > V."> title="Электротон. А – катэлектротон. 1 – начальное повышение возбудимости: V1 V. Б – анэлектротон, понижение возбудимости: V1 > V.">

Катодическая депрессия по Вериго Если потоянный ток действует на мембрану длительное время, то повышенная возбуди- мость под катодом изменяется на снижение возбудимости. В основе этого явления лежит явление аккомодации ткани, т.к. постоянный ток можно представить как ток с бесконечно малой крутизной нарастания.

Статическая поляризация – наличие постоянной разности потенциалов между наружной и внутренней поверхностями клеточной мембраны. В состоянии покоя наружная поверхность клетки всегда электроположительна по отношению к внутренней, т.е. поляризована. Эта разность потенциалов, равная ~ 60 мВ, называется потенциалом покоя, или мембранным потенциалом (МП) . В образовании потенциала принимают участие 4 вида ионов:

катионы натрия (положительный заряд),
катионы калия (положительный заряд),
анионы хлора (отрицательный заряд),
анионы органических соединений (отрицательный заряд).

Во внеклеточной жидкости высока концентрация ионов натрия и хлора, во внутриклеточной жидкости – ионов калия и органических соединений. В состоянии относительного физиологического покоя клеточная мембрана хорошо проницаема для катионов калия, чуть хуже для анионов хлора, практически непроницаема для катионов натрия и совершенно непроницаема для анионов органических соединений.

В покое ионы калия без затрат энергии выходят в область меньшей концентрации (на наружную поверхность клеточной мембраны), неся с собой положительный заряд. Ионы хлора проникают внутрь клетки, неся отрицательный заряд. Ионы натрия продолжают оставаться на наружной поверхности мембраны, еще больше усиливая положительный заряд.

Деполяризация – сдвиг МП в сторону его уменьшения. Под действием раздражения открываются «быстрые» натриевые каналы, вследствие чего ионы Na лавинообразно поступают в клетку. Переход положительно заряженных ионов в клетку вызывает уменьшение положительного заряда на ее наружной поверхности и увеличение его в цитоплазме. В результате этого сокращается трансмембранная разность потенциалов, значение МП падает до 0, а затем по мере дальнейшего поступления Na в клетку происходят перезарядка мембраны и инверсия ее заряда (поверхность становится электроотрицательной по отношению к цитоплазме) – возникает потенциал действия (ПД). Электрографическим проявлением деполяризации является спайк, или пиковый потенциал .

Во время деполяризации, когда переносимый ионами Na положительный заряд достигает некоторого порогового значения, в сенсоре напряжения ионных каналов возникает ток смещения, который «захлопывает» ворота и «запирает» (инактивирует) канал, прекращая тем самым дальнейшее поступление Na в цитоплазму. Канал «закрыт» (инактивирован) вплоть до восстановления исходного уровня МП.

Реполяризация – восстановление исходного уровня МП. При этом ионы натрия перестают проникать в клетку, проницаемость мембраны для калия увеличивается, и он достаточно быстро выходит из нее. В результате заряд клеточной мембраны приближается к исходному. Электрографическим проявлением реполяризации является отрицательный следовой потенциал .

Гиперполяризация – увеличение уровня МП. Вслед за восстановлением исходного значения МП (реполяризация) происходит его кратковременное увеличение по сравнению с уровнем покоя, обусловленное повышением проницаемости калиевых каналов и каналов для Cl. В связи с этим поверхность мембраны приобретает избыточный по сравнению с нормой положительный заряд, а уровень МП становится несколько выше исходного. Электрографическим проявлением гиперполяризации является положительный следовой потенциал . На этом заканчивается одиночный цикл возбуждения.

Вся нервная деятельность успешно функционирует благодаря чередованию фаз покоя и возбудимости. Сбои в системе поляризации нарушают электрическую проводимость волокон. Но кроме нервных волокон есть и другие возбудимые ткани — эндокринная и мышечная.

Но мы рассмотрим особенности проводимых тканей, и на примере процесса возбуждения органических клеток расскажем о значении критического уровня деполяризации. Физиология нервной деятельности тесно связана с показателями электрического заряда внутри и снаружи нервной клетки.

Если один электрод присоединить к внешней оболочке аксона, а другой - к его внутренней части, то видна налицо разность потенциалов. Электрическая активность нервных проводящих путей основана на этой разности.

Что такое потенциал покоя и потенциал действия?

Все клетки нервной системы поляризованы, то есть имеют разный электрический заряд внутри и снаружи специальной мембраны. Нервная клетка всегда имеет свою липопротеиновую мембрану, имеющую функцию биоэлектрического изолятора. Благодаря мембранам создается потенциал покоя в клетке, который необходим для последующей активации.

Потенциал покоя поддерживается путем переноса ионов. Выход ионов калия и вход хлора увеличивает потенциал мембранного покоя.

Потенциал действия накапливается в фазе деполяризации, то есть подъема электрического заряда.

Фазы потенциала действия. Физиология

Итак, деполяризация в физиологии — это снижение мембранного потенциала. Деполяризация основа возникновения возбудимости, то есть потенциала действия для нервной клетки. При достижении критического уровня деполяризации никакой, даже сильный раздражитель не способен вызвать реакции нервных клеток. Натрия при этом очень много внутри аксона.

Сразу после этой стадии следует фаза относительной возбудимости. Ответ уже возможен, но лишь на сильный сигнал-раздражитель. Относительная возбудимость медленно переходит в фазу экзальтации. Что такое экзальтация? Это пик возбудимости тканей.

Все это время натриевые каналы активации закрыты. А их открытие произойдет, только когда разрядится. Реполяризация нужна для восстановления отрицательного заряда внутри волокна.

Что означает критический уровень деполяризации (КУД)?

Итак, возбудимость, это в физиологии способность клетки или ткани отреагировать на раздражитель и генерировать какой-то импульс. Как мы выяснили, для работы клеткам нужен определенный заряд — поляризация. Нарастание заряда от минуса к плюсу называется деполяризацией.

После деполяризации всегда идет реполяризация. Заряд внутри после фазы возбуждения снова должен стать отрицательным, чтобы клетка могла подготовиться к следующей реакции.

Когда показания вольтметра зафиксированы на отметке 80 - покоя. Она наступает после окончания реполяризации, а если прибор показывает положительное значение (больше 0), значит, обратная реполяризации фаза, приближается к максимальному уровню — критическому уровню деполяризации.

Как передаются импульсы от нервных клеток к мышцам?

Электрические импульсы, возникшие при возбуждении мембраны, передаются по нервным волокнам с большой скоростью. Скорость сигнала объясняется строение аксона. Аксон частично обволакивается облочкой. А между участками с миелином находятся перехваты Ранвье.

Благодаря такому устройству нервного волокна положительный заряд чередуется с отрицательным, и деполяризационный ток практически единовременно распространяется вдоль всей длины аксона. Сигнал о сокращении доходит до мышцы в доли секунды. Такой показатель, как критический уровень деполяризации мембраны означает ту отметку, при которой достигается пиковый потенциал действия. После сокращения мышцы вдоль всего аксона запускается уже реполяризация.

Что происходит при деполяризации?

Что значит такой показатель, как критический уровень деполяризации? Это в физиологии означает, что нервные клетки уже готовы к работе. Исправная работа целого органа зависит от нормальной, своевременной смены фаз потенциала действия.

Критический уровень (КУД) равен приблизительно 40-50 Мв. В это время электрическое поле вокруг мембраны уменьшается. напрямую зависит от того, сколько натриевых каналов клетки открыто. Клетка в это время еще не готова к ответу, но собирает электрический потенциал. Этот период имеет название абсолютная рефрактерность. Длится фаза всего 0,004 с в нервных клетках, а в кардиомиоцитах - 0,004 с.

После прохождения критического уровня деполяризации наступает супервозбудимость. Нервные клетки могут дать ответ даже на действие подпорогового раздражителя, то есть относительно слабого воздействие среды.

Функции натриевых и калиевых каналов

Итак, важный участник процессов деполяризации и реполяризации белковый ионовый канал. Разберемся, что подразумевает под собой это понятие. Ионные каналы — это находящиеся внутри плазменной оболочки белковые макромолекулы. Когда они открыты, через них могут проходить ионны неорганического происхождения. Белковые каналы имеют фильтр. Через натриевый проток проходит только натрий, через калиевый — только этот элемент.

Эти электроуправляемые каналы имеют двое ворот: одни активационные, обладают свойством пропускать ионы, другие инактивационные. В то время, когда мембранный потенциал покоя равен -90 мВ, ворота закрыты, но при начале деполяризации, натриевые каналы медленно открываются. Увеличение потенциала приводит к резкому закрытию створок протока.

Фактором, который влияет на активацию каналов, является возбудимость мембраны клетки. Под действием электрической возбудимости и запускаются 2 вида ионовых рецепторов:

запускается действие лиганд рецепторов — для хемозависимых каналов;
электрический сигнал подается для электроуправляемых каналов.

При достижении критического уровня деполяризации мембраны клетки рецепторы дают сигнал о том, что все натриевые каналы нужно закрыть, а калиевые начинают открываться.

Натриево-калиевый насос

Процессы передачи импульса возбуждения везде проходят благодаря электрической поляризации, осуществляемой за счет движения ионов натрия и калия. Движение элементов происходит на основе принципа ионов - 3 Na + внутрь и 2 К + наружу. Этот механизм обмена называется натриево-калиевым насосом.

Деполяризация кардиомиоцитов. Фазы сокращения сердца

Сердечные циклы сокращений также связаны с электрической деполяризацией проводимых путей. Сигнал о сокращении всегда исходит от СА-клеток, находящихся в правом предсердии, и распространяется по проводящим путям Гисса в пучок Тореля и Бахмана в левое предсердие. Правые и левые отростки пучка Гисса передают сигнал в желудочки сердца.

Нервные клетки быстрее деполяризуются и переносят сигнал благодаря наличию но мышечные ткани также постепенно деполяризуются. То есть их заряд из отрицательного превращается в положительный. Эта фаза сердечного цикла называется диастолой. Все клетки тут соединены между собой и действуют как один комплекс, поскольку работа сердца должна быть максимально скоординирована.

Когда наступает критический уровень деполяризации стенок правого и левого желудочков, генерируется выброс энергии — происходит сокращение сердца. Затем все клетки реполяризуются и готовятся к новому сокращению.

Депрессия Вериго

В 1889 году описано явление в физиологии, которое называется католической депрессией Вериго. Критический уровень деполяризации — это уровень деполяризации, при котором все натриевые каналы уже инактивированы, а вместо них работают калиевые. Если степень тока еще больше увеличивается, тогда значительно снижается возбудимость нервного волокна. А критический уровень деполяризации при действии раздражителей зашкаливает.

Во время депрессии Вериго скорость проведения возбуждения понижается, и, наконец, совсем спадает. Клетка начинает адаптироваться за счет изменения функциональных особенностей.

Адаптационный механизм

Бывает, при некоторых условиях деполяризующий ток долго не переключается. Это свойственно сенсорным волокнам. Постепенное длительное повышение такого тока сверх нормы в 50 мВ приводит к увеличению частоты электронных импульсов.

В ответ на такие сигналы повышается проводимость калиевой мембраны. Активируются более медленные каналы. В итоге возникает способность нервной ткани к повторным ответам. Это называется адаптацией нервных волокон.

При адаптации вместо большого количества коротких сигналов клетки начинают аккумулировать и отдавать одиночный сильный потенциал. А интервалы между двумя реакциями увеличиваются.

Электрический импульс, распространяющийся по сердцу и запускающий каждый цикл сокращений, называется потенциалом действия; он представляет собой волну кратковременной деполяризации, во время которой внутриклеточный потенциал поочередно в каждой клетке становится на короткое время положительным, а затем возвращается к своему исходному отрицательному уровню. Изменения нормального сердечного потенциала действия имеют характерное развитие во времени, которое для удобства подразделено на следующие фазы : фаза 0 - начальная быстрая деполяризация мембраны; фаза 1 - быстрая, но неполная реполяризация; фаза 2 - «плато», или продолжительная деполяризация, характерная для потенциала действия сердечных клеток; фаза 3 - конечная быстрая реполяризация; фаза 4 - период диастолы.
При потенциале действия внутриклеточный потенциал становится положительным, так как возбужденная мембрана временно приобретает большую проницаемость для Na+ (по сравнению с К+), поэтому мембранный потенциал на какое-то время приближается по величине к потенциалу равновесия ионов натрия (ENa)- ЕNа можно определить, используя отношение Нернста; при внеклеточной и внутриклеточной концентрации Na+ 150 и 10 мМ соответственно он составит:

Однако повышенная проницаемость для Na+ сохраняется лишь непродолжительное время, так что мембранный потенциал не достигает ENa и после окончания потенциала действия возвращается к уровню покоя.
Указанные выше изменения проницаемости, вызывающие развитие фазы деполяризации потенциала действия, возникают вследствие открытия и закрытия особых мембранных каналов, или пор, через которые легко проходят ионы натрия. Как полагают, работа «ворот» регулирует открытие и закрытие отдельных каналов, которые могут существовать по меньшей мере в трех конформациях - «открытой», «закрытой» и «инактивированной». Одни ворота, соответствующие активационной переменной «m » в описании Ходжкина - Хаксли ионных потоков натрия в мембране гигантского аксона кальмара, быстро перемещаются, открывая канал, когда мембрана внезапно деполяризуется под действием стимула. Другие ворота, соответствующие инактивационной переменной «h » в описании Ходжкина - Хаксли, при деполяризации движутся медленнее, и их функция заключается в закрытии канала (рис. 3.3). Как установившееся распределение ворот в пределах системы каналов, так и скорость их перехода из одного положения в другое зависят от уровня мембранного потенциала. Поэтому для описания мембранной проводимости Na+ используются термины «зависимый от времени» и «потенциалозависимый».
Если мембрану в покое внезапно деполяризовать до уровня положительного потенциала (например, в эксперименте по фиксации потенциала), то активационные ворота быстро изменят свое положение, чтобы открыть натриевые каналы, а затем инактивационные ворота медленно их закроют (рис. 3.3). Слово «медленно» означает здесь, что на инактивацию уходит несколько миллисекунд, тогда как активация происходит в доли миллисекунды. Ворота остаются в указанных положениях до тех пор, пока мембранный потенциал снова не изменится, и для того чтобы все ворота вернулись к исходному состоянию покоя, мембрана должна быть полностью реполяризована до уровня высокого отрицательного потенциала. Если мембрана реполяризуется лишь до невысокого уровня отрицательного потенциала, то некоторые инактивационные ворота останутся закрытыми и максимальное число доступных натриевых каналов, способных открыться при последующей деполяризации, сократится . (Электрическая активность сердечных клеток, в которых натриевые каналы полностью инактивированы, будет обсуждаться ниже.) Полная реполяризация мембраны в конце нормального потенциала действия обеспечивает возврат всех ворот к исходному состоянию и, следовательно, их готовность к следующему потенциалу действия.

Рис. 3.3. Схематическое изображение мембранных каналов для входящих потоков ионов при потенциале покоя, а также при активации и инактивации.
Слева показана последовательность состояний канала при нормальном потенциале покоя -90 мВ. В покое инактивационные ворота как Na+-канала (h), так и медленного Ca2+/Na+-канала (f) открыты. Во время активации при возбуждении клетки т-ворота Na+-канала открываются и входящий поток ионов Na+ деполяризует клетку, что приводит к нарастанию потенциала действия (график внизу). Затем h-ворота закрываются, инактивируя таким образом проводимость Na+. При нарастании потенциала действия мембранный потенциал превышает более положительный порог потенциала медленных каналов; их активационные ворота (d) при этом открываются и ионы Ca2+ и Na+ поступают в клетку, вызывая развитие фазы плато потенциала действия. Ворота f, инактивирующие Ca2+/Na+-каналы, закрываются гораздо медленнее, чем ворота h, которые инактивируют Na-каналы. На центральном фрагменте показано поведение канала при снижении потенциала покоя до менее чем -60 мВ. Большинство инактивационных ворот Na-канала остается закрытым до тех пор, пока мембрана деполяризована; возникающий при стимуляции клетки входящий поток Na+ слишком мал, чтобы вызвать развитие потенциала действия. Однако инактивационные ворота (f) медленных каналов при этом не закрываются и, как показано на фрагменте справа, при достаточном возбуждении клетки, позволяющем открыть медленные каналы и пропустить медленно входящие потоки ионов, возможно ответное медленное развитие потенциала действия.

Рис. 3.4.
Слева - потенциал действия, возникающий на уровне потенциала покоя, составляющем -90 мВ; это происходит при возбуждении клетки поступающим импульсом или каким-либо подпороговым стимулом, быстро понижающим мембранный потенциал до значений, лежащих ниже порогового уровня в - 65 мВ. Справа - эффекты двух подпороговых и порогового стимулов. Подпороговые стимулы (а и б) не дают снижения мембранного потенциала до порогового уровня; следовательно, потенциал действия не возникает. Пороговый стимул (в) снижает мембранный потенциал точно до порогового уровня, на котором затем возникает потенциал действия .

Продолжительный рефрактерный период после возбуждения сердечных клеток обусловлен большой длительностью потенциала действия и вольтажной зависимостью механизма ворот натриевых каналов. За фазой нарастания потенциала действия следует период продолжительностью от сотни до нескольких сотен миллисекунд, в течение которого регенеративный ответ на повторный стимул отсутствует (рис. 3.5). Это так называемый абсолютный, или эффективный, рефрактерный период; обычно он охватывает плато (фаза 2) потенциала действия. Как описано выше, натриевые каналы инактивируются и остаются закрытыми во время такой поддерживающейся деполяризации. В ходе реполяризации потенциала действия (фаза 3) инактивация постепенно устраняется, так что доля каналов, способных снова активироваться, постоянно возрастает. Следовательно, с помощью стимула в начале реполяризации можно вызвать лишь небольшой входящий поток ионов натрия, однако по мере продолжения реполяризации потенциала действия такие потоки будут увеличиваться. Если некоторые из натриевых каналов остаются невозбудимыми, то вызванный входящий поток Na+ может привести к регенеративной деполяризации и, следовательно, к возникновению потенциала действия. Однако скорость деполяризации, а значит, и скорость распространения потенциалов действия значительно снижены (см. рис. 3.5) и нормализуются только после полной реполяризации . Время, в течение которого повторный стимул способен вызвать такие «градуальные» потенциалы действия, называется относительным рефрактерным периодом. Вольтажная зависимость устранения инактивации изучалась Weidmann, установившим, что скорость повышения потенциала действия и возможный уровень, при котором этот потенциал вызывается, находятся в S-образной зависимости, известной также как кривая реактивности мембраны.
Низкая скорость нарастания потенциалов действия, вызванных в течение относительного рефрактерного периода, обусловливает их медленное распространение; такие потенциалы действия могут послужить причиной некоторых нарушений проведения, например задержки, затухания и блокирования, и даже способны вызвать циркуляцию возбуждения. Данные явления обсуждаются ниже в этой главе.
В нормальных сердечных клетках за входящим натриевым током, ответственным за быстрое нарастание потенциала действия, следует второй входящий ток, меньшей величины и более медленный, чем натриевый ток, который, по-видимому, переносится в основном ионами кальция . Этот ток обычно относят к «медленному входящему току» (хотя он является таковым только в сравнении с быстрым натриевым током; другие важные изменения, например наблюдаемые во время реполяризации, вероятно, замедляются); он протекает через каналы, которые в соответствии с характеристиками их проводимости, зависящей от времени и вольтажа, были названы «медленными каналами» (см. рис. 3.3) . Порог активации этой проводимости (т. е. когда начинают открываться активационные ворота - d) лежит между -30 и -40 мВ (сравните: от -60 до -70 мВ для натриевой проводимости) . Регенеративная деполяризация, обусловленная быстрым натриевым током, обычно активирует проводимость медленного входящего тока, поэтому в более поздний период нарастания потенциала действия ток течет по каналам обоих типов. Однако ток Са2+ гораздо меньше максимального быстрого тока Na+, поэтому его вклад в потенциал действия весьма невелик до тех пор, пока быстрый ток Na+ не станет достаточно инактивированным (т. е. после начального быстрого нарастания потенциала). Поскольку медленный входящий ток может инактивироваться лишь очень медленно, он вносит свой вклад в основном в фазу плато потенциала действия. Так, уровень плато смещается в сторону деполяризации, когда градиент электрохимического потенциала для Са2+ увеличивается при повышении концентрации [Са2+]0; снижение [Са2+]0 вызывает смещение уровня плато в противоположную сторону . Однако в некоторых случаях может отмечаться вклад кальциевого тока в фазу нарастания потенциала действия. Например, на кривой нарастания потенциала действия в миокардиальных волокнах желудочка лягушки иногда наблюдается изгиб около 0 мВ, в точке, где первоначальная быстрая деполяризация уступает место более медленной деполяризации, которая продолжается до пика овершута потенциала действия. Как было показано, скорость более медленной деполяризации и величина овершута возрастают с повышением [Са2+]0 .
Кроме различной зависимости от мембранного потенциала и времени, эти два типа проводимости различаются и по своим фармакологическим характеристикам. Так, ток через быстрые каналы для Na+ снижается под действием тетродотоксина (ТТХ) , тогда как медленный ток Са2+ не поддается влиянию ТТХ , но усиливается под действием катехоламинов и угнетается ионами марганца , а также некоторыми препаратами, такими как верапамил и D-600 . Представляется весьма вероятным (по крайней мере в сердце лягушки), что большая часть кальция, необходимого для активации белков, способствующих каждому сокращению сердца, попадает в клетку во время потенциала действия через медленный канал для входящего тока. У млекопитающих доступным дополнительным источником Са2+ для сердечных клеток служат его запасы в саркоплазматическом ретикулуме.

Категории

Выбор редакции