ПОТЕНЦІАЛ ДІЇ НЕРВОВИХ І М'ЯЗОВИХ ВОЛОКОН

Потенціал дії (ПД) – це швидка зміна мембранного потенціалу, яка виникає в збудливих структурах у відповідь на дію подразника.

Власне здатність генерувати ПД є головною  рисою, яка відрізняє збудливі структури (нервові, м’язові і деякі типи секреторних клітин) від інших.

 

Структура ПД

При внутрішньоклітинному відведенні ПД великого нервового волокна має форму, наведену на рисунку.

Потенціал дії при внутрішньоклітинному відведенні : І – фаза спокою; ІІ – фаза деполяризації; ІІІ – фаза реполяризації; ІV – фаза слідових потенціалів.

 Виділяють такі фази ПД:

1 Фаза спокою.

Вона представлена потенціалом спокою. Без потенціалу спокою неможливий розвиток ПД.

2 Фаза деполяризації (висхідна фаза).

Це дуже швидка  (0,1 мс) зміна мембранного потенціалу від –90 мВ до + 35 мВ. У великих нервових волокнах позитивні значення ПД отримали назву овершута. У малих нервових волокнах і нейронах овершута немає.

3 Фаза реполяризації (низхідна фаза).

Це фаза відновлення негативного заряду на внутрішній поверхні мембрани. Її тривалість значно перевищує  тривалість фази деполяризації.

4 Фаза слідових потенціалів.

Після завершення ПД мембранний потенціал ще деякий час відхиляється від рівня ПС. Розрізняють слідову деполяризацію та слідову гіперполяризацію. Амплітуда слідових потенціалів ніколи не перевищує 15-20% ПД.

 

Основні  фізичні характеристики ПД

1 Полярність ПД.

На внутрішній поверхні мембрани ПД є електропозитивним, а на зовнішній – електронегативним стосовно “нуля” Землі. Іншими словами, під час розвитку ПД відбувається реверсія потенціалу -  зміна полярності заряду на внутрішній і зовнішній поверхнях мембрани.

             Реверсія мембранного потенціалу під час ПД.

2 Значення мембранного потенціалу на вершині ПД  (величина овершута).

У  великих  нервових  і скелетних м’язових волокнах ця величина становить від +30 до +40 мВ.

3  Амплітуда ПД.

Це відстань від рівня потенціалу спокою до найвищої точки овершута. У великих  нервових  і  скелетних  м’язових  волокнах  цей  показник дорівнює 110 - 130 мВ.

4  Тривалість ПД.

Ця характеристика ПД суттєво відрізняється у різних типах збудливих структур. Так, у великих нервових і скелетних   м’язових     волокнах   цей    показник      дорівнює 0,5 – 5 мс, у той час як у волокнах серцевого м’яза він досягає 300 мс.

5  Довжина хвилі ПД.

ПД здатний поширюватися по нервових і м’язових волокнах, при цьому у різних структурах довжина його хвилі становить від 0,1 до 5 см.

6  Швидкість поширення ПД.

Залежно  від   типу  волокон  цей  показник становить 0,5 - 120 м/с.

 

Основні фізіологічні характеристики ПД

1 Підкоряється закону “все або нічого”. Це означає що:

• ПД виникає при дії подразника, сила якого не менша за певну порогову величину;
• Фізичні характеристики ПД (амплітуда, тривалість, форма)   не залежать від сили подразника.

2 Здатність до самопоширення вздовж мембрани клітини без затухання (бездекрементно), тобто без зміни своїх фізичних характеристик.

3 ПД супроводжується рефрактерністю.

4 ПД не здатний до сумації, тобто до накладання.

 

                   Іонні механізми розвитку ПД

Виникнення ПД пов’язане  з існуванням у плазматичній мембрані клітин двох видів білків – каналів. Зупинимося коротко на їх характеристиці.

І Потенціалозалежні  натрієві білки-канали.

      Ці канали мають дві властивості: селективність і електрозбудливість.

Селективність – це здатність каналу пропускати через себе тільки іони Na⁺, тому такі канали називаються натрієвими.

Електрозбудливість – це здатність каналу відкриватися і закриватися у відповідь на зміни мембранного потенціалу (звідки назва – потенціалозалежні).

Na⁺ канал складається з двох частин:

1.  Власне транспортної системи – білка, який пропускає через   себе іони Na⁺.
2.  Воріт – частини каналу, яка визначає відкритий і закритий  його стани.

Потенціалозалежний  натрієвий канал має двоє воріт:

• активаційні (швидкі). Вони знаходяться на зовнішній поверхні білка-каналу, мають здатність швидко відкриватися і закриватися;
• інактиваційні (повільні). Вони знаходяться на внутрішній поверхні білка-каналу і характеризуються тим, що повільно відкриваються і закриваються.

         Розрізняють три функціональні стани потенціалозалежних  натрієвих  каналів

• Стан спокою. Активаційні ворота закриті, інактиваційні – відкриті. Канал непроникливий для іонів Na+. У такому стані канал перебуває тоді, коли мембранний потенціал дорівнює –90 мВ (рівень потенціалу спокою).
• Активований стан. Обоє воріт (активаційні та інактиваційні) відкриті, внаслідок чого канал проникливий для іонів Na+. Ці іони проходять ззовні у клітину по градієнту концентрації за механізмом простої дифузії. Причиною відкриття активаційних воріт є зміни мембранного потенціалу від –90 мВ до +35 мВ (деполяризація).
• Інактивований стан. Активаційні ворота відкриті, інактиваційні – закриті. Канал непроникний для іонів Na+.  Такий стан настає внаслідок змін мембранного потенціалу від –90 мВ до +35 мВ. Конформаційні зміни білка-каналу, що виникають при деполяризації, призводять не тільки до швидкого відкриття активаційних воріт, але й до закриття інактиваційних. Однак останнє відбувається  значно повільніше.

                           Потенціалозалежні натрієві канали.

ІІ Потенціалозалежні калієві канали.

Вони мають такі самі властивості, як і  натрієві канали, –  селективність та електрозбудливість.

К ⁺- канал складається з двох частин:

1) власне транспортної системи – білка, який пропускає через себе іони К⁺;

2) воріт. На відміну від натрієвих каналів, у калієвому каналі одні ворота, які розміщені з внутрішнього боку мембрани.          

Розрізняють два функціональних стани калієвих каналів:

• стан спокою. Ворота закриті. Канал непроникний для іонів К+. У такому стані канал перебуває тоді, коли мембранний потенціал дорівнює –90 мВ.
• активований стан. Ворота відкриті. Канал проникний для іонів К⁺. Такий стан настає при зміні мембранного потенціалу від –90 до +35 мВ внаслідок конфірмаційних змін білка-каналу. Оскільки ці зміни відбуваються повільно, то й ворота відкриваються повільно.

                       Потенціалозалежні калієві канали

Таким чином, можна виділити дві основні  відмінності калієвих каналів :

- калієві канали не інактивуються, оскільки не мають інактиваційних воріт;

- відкриття і закриття калієвих каналів відбувається повільно.

      З урахуванням структури і функціональних особливостей іонних каналів розглянемо походження основних фаз ПД : деполяризації і реполяризації.

Фаза деполяризації

Основний механізм її виникнення – раптове у 500 - 5000 разів збільшення проникності клітинної мембрани для іонів Na⁺, внаслідок чого названі іони входять у клітину за електрохімічним градієнтом (вхідний натрієвий струм), викликаючи швидку деполяризацію. Молекулярну основу такого різкого збільшення проникності мембрани становить перехід потенціалозалежних натрієвих каналів в активований стан. Причиною цього є відкриття активаційних (швидких) воріт каналу, обумовлене деполяризацією мембрани до критичного рівня, який дорівнює -70 -50 мВ.  Подібна деполяризація мембрани до критичного рівня відбувається внаслідок дії на клітину подразників, здатних викликати збудження. Схематично механізм розвитку фази деполяризації ПД зображено на рисунку.

                       Механізм розвитку фази деполяризації ПД.

В основі швидкої деполяризації лежить принцип позитивного зворотного зв’язку, який має важливе значення в ініціюванні фізіологічних процесів. Так, деполяризація мембрани викликає активацію натрієвих каналів, внаслідок чого збільшується вхід іонів Na⁺ в клітину. Це, у свою чергу, збільшує деполяризацію мембрани, внаслідок чого збільшується кількість активованих натрієвих каналів і т.д.

До якого значення потенціалу буде відбуватися деполяризація? Теоретично можливим є значення, яке дорівнює значенню натрієвого рівновагового потенціалу. Розрахунки за формулою Нернста свідчать, що це +70 мВ. Насправді  ж деполяризація досягає тільки рівня +35 мВ. Чому? Це пояснюється подіями, які обумовлюють розвиток  наступної фази ПД.

Фаза реполяризації

В її розвитку мають значення дві події:

1  Інактивація потенціалозалежних натрієвих каналів.

           Через 0,1 мс від початку розвитку ПД починають закриватися інактиваційні (повільні) ворота натрієвих каналів, внаслідок чого проникність мембрани до Na⁺ різко зменшується. Причиною закриття інактиваційних воріт (як і відкриття активаційних) є деполяризація мембрани. Але на відмінну від швидких активаційних воріт інактиваційні закриваються повільно, тому їх повне закриття настає тільки через 0,1 мс.

            Інактивація  натрієвих каналів пояснює той факт, що деполяризація мембрани під час ПД не доходить до рівня рівновагового натрієвого потенціалу.

2  Активація потенціалозалежних калієвих каналів.

          Одночасно з початком інактивації натрієвих каналів, тобто через 0,1 мс, починають відкриватися ворота потенціалозалежних калієвих каналів, внаслідок чого збільшується проникність мембрани до іонів К⁺. Причиною відкриття воріт калієвих каналів є конфірмаційні зміни білка-каналу, обумовлені деполяризацією. Оскільки ці зміни виникають повільно, то відкриття калієвих каналів затримується на 0,1 мс.

           Внаслідок відкриття калієвих каналів іони К⁺ виходять із клітини за електрохімічним градієнтом (вихідний калієвий струм) – у результаті відбувається поступове відновлення мембранного потенціалу, тобто реполяризація.

Як тільки  мембранний потенціал досягає рівня потенціалу спокою (-90 мВ), відбуваються такі зміни у каналах:

• в натрієвих каналах активаційні ворота швидко закриваються, а інактиваційні – повільно відкриваються. Канал переходить у стан спокою;
• в калієвих каналах ворота повільно закриваються і реполяризація припиняється. Однак оскільки закриття калієвих каналів повільне, то вихід К+ з клітини продовжується ще деякий час і після досягнення рівня потенціалу спокою. Цим, зокрема, пояснюється виникнення слідової гіперполяризації, коли мембранний потенціал може наближатися до значення калієвого рівновагового потенціалу (-94 мВ).

Фізіологічне значення ПД

Серії ПД (імпульси), які поширюються вздовж клітинної мембрани, являють собою “сигнали”, які забезпечують передачу інформації по нервових і м’язових волокнах.

Методи реєстрації ПД

І  Внутрішньоклітинне відведення ПД.

Мікроелектрод вводять у клітину і реєструють класичну форму  ПД, яка представлена на рис. 4.1.

ІІ  Позаклітинне відведення ПД.

Здійснюють за допомогою електродів, розміщених поза клітиною. Існує два методи позаклітинної реєстрації ПД :

1 Біполярне відведення – реєстрація двофазного ПД. Дозволяє реєструвати ПД, який поширюється вздовж непошкодженого нервового волокна.

Реєстрація двофазного ПД за допомогою позаклітинних електродів. Заштриховано ділянки деполяризації волокна. Стрілкою вказано напрямок поширення ПД.

 

2  Уніполярне відведення – реєстрація однофазного ПД. Дозволяє реєструвати ПД при порушеннях його проведення.

Реєстрація однофазного ПД за допомогою позаклітинних електродів. Чорним показано пошкоджену ділянку волокна, через яку ПД не проводиться. Стрілкою вказано напрямок поширення ПД.

Причини і умови виникнення ПД

ПД виникає внаслідок взаємодії подразника зі збудливою клітиною. У цій взаємодії подразник є власне причиною ПД, а властивості клітини визначають умови його виникнення.

За походженням подразники, що здатні викликати ПД, можна поділити на 2 групи :

1 Фізичні подразники:

• електричний струм;
• механічні фактори (тиск, вібрація, розтягнення).

2 Хімічні подразники :

• нейромедіатори;
• хімічні сполуки, специфічні для певних видів хеморецепторів (вуглекислий газ, іони водню).

Загальною рисою всіх подразників, здатних викликати ПД, є те, що всі вони призводять до розвитку деполяризації клітинної мембрани.

Основною властивістю клітини, яка визначає умови виникнення ПД, є її збудливість.

 

ЗБУДЛИВІСТЬ

Збудливість – це здатність клітини відповідати збудженням, тобто генерацією ПД, на дію подразника.

Параметри, що визначають збудливість клітини:

1 Величина ПС. Вона безпосередньо впливає на кількість інактивованих натрієвих каналів. Якщо ПС стає більш позитивним, то зростає кількість інактивованих натрієвих каналів. При досягненні ПС рівня –50 мВ у клітинах савців усі 100% натрієвих каналів інактивуються, і жоден подразник будь-якої сили не здатний викликати ПД. Оскільки величина ПС визначається концентрацією іонів К⁺, то саме цим іонам належить  провідна роль, якщо мова йде про названий вище параметр збудливості.

2 Критичний рівень деполяризації. Це величина мембранного потенціалу, при  досягненні якої виникає ПД. Не кожна деполяризація мембрани викликає ПД, а тільки та, яка досягає критичної величини. У великих нервових волокнах вона у середньому становить –65 мВ.

Показники збудливості клітини: Е_кр – критичний рівень деполяризації; Е_пс – рівень потенціалу спокою; ∆V - пороговий потенціал (поріг деполяризації).

Різниця між критичним рівнем деполяризації (Е_кр) і ПС (Е_пс)  називається пороговим потенціалом, або порогом деполяризації (V).

     

У даному випадку V = -65 – (-90) = 25 мВ.

Основним фактором, що визначає критичний рівень деполяризації, є позаклітинна концентрація іонів Са²⁺.

При збільшенні цієї концентрації Е_кр є більш позитивним, і відповідно зростає поріг деполяризації (V). Зменшення позаклітинної концентрації Са²⁺ викликає протилежний ефект – Е_кр наближається до рівня ПС, а відповідно V зменшується.

Виходячи зі значення розглянутих параметрів, можна виділити чотири зміни збудливості.

   

   

                     Варіанти змін збудливості клітини.

Зміни збудливості під час збудження

Під час і відразу після збудження збудливість клітини змінюється таким чином, що виділяються два   періоди: період   абсолютної   і   період    відносної   рефрактерності.

      Періоди абсолютної і відносної рефрактерностей.

1 Період абсолютної рефрактерності. Тривалість цього періоду для великих нервових волокон – від початку ПД і  ще деякий час після його завершення, приблизно 2 мс. У цей період клітина незбудлива – жоден подразник не здатний викликати ПД.

Існування абсолютної рефрактерності пояснюється тим, що в цей період усі натрієві канали перебувають в інактивованому стані. Для того щоб збудливість відновилася, необхідний перехід натрієвих каналів з інактивованого стану у стан спокою. Це досягається закриттям активаційних і відкриттям інактиваційних воріт білків-каналів. Оскільки перші закриваються швидко, а другі відкриваються повільно, то навіть при досягненні мембранним потенціалом рівня –90 мВ збудливість ще деякий час не відновлюється. Тому тривалість періоду абсолютної рефрактерності більше тривалості ПД. Тривалість періоду абсолютної рефрактерності визначає максимально можливу кількість ПД,   яка   може   виникати  у  нервовому волокні за 1 с. Якщо в безмієлінових нервових волокнах тривалість цього періоду дорівнює 2 мс, то 1 : 0, 002 = 500 імп./с. У  мієлінізованих волокнах, де тривалість абсолютної рефрактерності становить 0,4 мс,  1 : 0,0004 = = 2500 імп./с.

Вперше увагу на різну здатність збудливих структур відтворювати різну кількість подразнень звернув Н.Е Введенський (1901). Так, частота розряду рухових нервових волокон при довільних рухах, як правило, не перевищує 50 за 1 секунду. Тоді як у чутливих нервових волокнах (наприклад, у слуховому або зоровому нерві) при сильному подразненні  вона може досягати 1000 за 1 секунду і більше. Максимальну кількість потенціалів дії («максимальний ритм»), яку здатна збудлива структура генерувати за 1 секунду у відповідності з ритмом подразнення, Н.Е.Введенський запропонував як показника лабільності тканини. Сьогодні зрозуміло, що максимальний ритм імпульсації нервових і м’язових волокон визначається швидкістю процесів зміни іонної провідності, які лежать в основі абсолютної  і відносної рефрактерностей.

2  Період відносної рефрактерності. Виникає відразу ж за періодом абсолютної рефрактерності і становить 1/2 -1/4  від його тривалості. Для нього характерні дві риси:

•   збільшення порога деполяризації. Це означає, що  

у зазначений період ПД може виникати, але під впливом подразників більшої сили, ніж звичайно;

•   ПД, який виникає в цей період, характеризується змінами форми – зменшуються амплітуда та крутизна наростання, збільшується тривалість.

Можливість виникнення ПД в період відносної рефрактерності пояснюється тим, що в цей час певна кількість натрієвих каналів уже відновила свій початковий стан (стан спокою) однак, значна їх кількість перебуває ще в інактивованому стані. Крім того, калієві канали ще повністю не закриті, тому калієвий вихідний струм перешкоджає виникненню ПД, який з’являється у відповідь на дію сильного подразника в період відносної рефрактерності.

Роль різних іонів у розвитку електрофізіологічних явищ у клітинах

Як випливає з вищесказаного, провідна роль у розвитку мембранних потенціалів у збудливих клітинах належить трьом іонам: К⁺, Na⁺, Ca²⁺. Підіб'ємо підсумки уже зазначеному :

1 Іони К⁺. Вони визначають рівень ПС. Мають також значення у розвитку ПД, обумовлюючи фазу реполяризації.

2  Іони Na⁺. Є головними іонами, що визначають розвиток ПД (фаза деполяризації). У той же час впливають на остаточну величину ПС (пасивний вхід Na⁺ у клітину).

3  Іони Са²⁺. Визначають величину критичного рівня деполяризації.

 

Зміни збудливості в умовах патології і дії фармакологічних агентів

Розглянемо деякі основні причини порушення збудливості:

І  Порушення іонного складу позаклітинної рідини

1 Зміни концентрації іонів К⁺:

1. гіперкаліємія. Викликає деполяризацію клітинних мембран (вхід К⁺ у клітину). Залежно  від концентрації К⁺ можливі такі порушення збудливості. Якщо позаклітинний вміст К⁺ зростає від 4 до 8 мекв/л, тоді внаслідок незначної деполяризації мембрани пороговий потенціал зменшується, і збудливість зростає. Якщо концентрація К⁺ у позаклітинній рідині стає вищою за 8 мекв/л, тоді внаслідок  збільшення кількості інактивованих натрієвих каналів збудливість зменшується (період відносної рефрактерності). Якщо концентрація К⁺ досягає 35 мекв/л і більше, то в результаті значної деполяризації мембрани всі натрієві канали переходять в інактивований стан. Клітина повністю втрачає збудливість (період абсолютної рефрактерності);
2. гіпокаліємія. Викликає гіперполяризацію мембрани (вихід К⁺ з клітини), внаслідок чого пороговий потенціал збільшується і збудливість зменшується.

2  Зміни концентрації Na⁺:

1. гіпонатріємія. В умовах in vivo цей стан призводить до збільшення збудливості через осмотичні механізми. Суть їх полягає у такому :  зменшення позаклітинної концентрації Na⁺ ® зменшення осмотичного тиску в позаклітинному середовищі (Росм) ® перехід води у клітини (клітинний набряк) ® зменшення внутрішньоклітинної концентрації К⁺ (ефект розведення) ® зменшення ПС ® зменшення порогового потенціалу ® збільшення збудливості. В умовах in vitro, якщо замінити Na⁺ в середовищі на інші іони для збереження Росм, ПД не виникає, оскільки не розвивається фаза деполяризації;
2. гіпернатріємія. Впливає на збудливість через осмотичні механізми. При цьому розвиваються явища, аналогічні до гіпонатріємії, тільки у протилежному напрямку (див. вище). У результаті пороговий потенціал збільшується, збудливість знижується.

3  Зміни концентрації іонів Са²⁺:

1. гіпокальціємія. Викликає наближення критичного рівня деполяризації (Екр) до рівня ПС. При цьому пороговий потенціал зменшується, а збудливість зростає. Якщо Екр буде дорівнювати ПС, то ПД у нервових волокнах виникають спонтанно, тобто без дії подразників, – розвивається синдром тетанії (спонтанні скорочення м’язів – судоми);

2. гіперкальціємія. Викликає віддалення Екр від рівня ПС, приводить до збільшення порогового потенціалу і зменшення збудливості.

ІІ  Ушкодження клітини

Завжди супроводжується стійкою деполяризацією мембрани (втратою ПС). В основі цього лежать такі механізми:

1. збільшення проникності клітинної мембрани до іонів Na⁺ (порушення бар’єрної функції мембрани);

б) порушення роботи Na⁺ -  K⁺-насоса;

в) посилений розпад внутрішньоклітинних білків.

ІІІ  Дія специфічних блокаторів іонних каналів

Сьогодні в експериментальних дослідах використовують речовини, що вибірково порушують провідність іонних каналів. Їх називають блокаторами каналів. До блокаторів натрієвих каналів відносять тетродотоксин і батрахотоксин – отрути деяких видів риб, які зв’язуються із зовнішньою частиною натрієвих каналів, внаслідок чого відкриття активаційних воріт стає неможливим і ПД не виникає.

До блокаторів калієвих каналів відносять тетраетиламоній. Він зв’язується з білками каналу, уповільнює відкриття воріт, у результаті чого збільшується тривалість фази реполяризації всього ПД, а також періодів абсолютної і відносної рефрактерності.

IV Місцеві анестетики

Це речовини, які використовують у медицині як місцеві знеболювальні засоби (новокаїн, прокаїн та інші).

Ці препарати утруднюють або взагалі припиняють поширення ПД по нервових волокнах.