Файл: Лекция по мембранологии и электрогенезу. Автор академик намн украины, д мед н, проф. В. Н. Казаков мембранология и электрогенез.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.11.2023
Просмотров: 27
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
+ и К+. То есть надо отдельно сравнить концентрацию ионов Na+ или К+ внутри и снаружи клетки, и не имеет смысла сравнивать натрий с калием, как это часто пытаются делать.
Потенциал действия
При поляризации мембраны клетки возникают три вида потен-циалов: пассивный электротонический потенциал, локальный от-вет и собственно потенциал действия.
Электротонический потенциал. Если наносятся раздражения, вели-чина которых не превышает половины величины порогового раздражения, то деполяризация мембраны наблюдается только во время действия разд-ражителя. Это пассивная электротоническая деполяризация или электро- тонический потенциал.
Развитие и исчезновение электротонического потенциала происходит по экспоненциальной кривой и определяется параметрами раздражающего то-ка, а также постоянной времени мембраны, то есть произведением сопро-тивления мембраны (Rm) на ее емкость (Сm) и описывается следующей формулой:
τm = RmСm (1.1)
где τm – постоянная времени мембраны или время, за которое пассивный элект-ротонический потенциал достигнет 63 % максимальной амплитуды, Rm – сопроти-вление, а Сm – емкость мембраны,
Распространение электротонического потенциала вдоль аксона омара, регистрируемое с помощью поверхностного электрода. Нарастание и спад потенциала проис-ходит по экспоненциальной кривой. Фаза роста напряжения описывается уравнением:
V=iR (1 – e-t/r) (1.2)
где t – время от начала импульса. Постоянная времениτm, как опи-сывалось, равна произведению RmCm. Это время, за которое по-тенциал возрастает до 63 % (1 - 1/e) своего максимального значе-ния. Спад напряжения тоже экспоненциален, с той же постоянной времени.
Поскольку практически у всех возбудимых клеток ее длина превышает диаметр, электротоничес-кие потенциалы распределяются неравномерно. В точке локализации стимулирующего электрода сдвиг потенциала происходит очень быстро и временные параметры определяются величиной емко-сти мембраны. В удаленных участках мембраны ток проходит не только через мембрану, но и преодоле-вает продольное сопротивление внутренней среды. Электротонический потенциал падает экспоненци-ально с увеличением длины, а расстояние, на кото-ром напряжение теряет 63 % первоначальной вели-чины (1–1/е) называют константой длины (λ). Во время развития электротонического потенциала ионная проницаемость мембраны практически не меняется.
Локальный ответ. При увеличении амплитуды подпороговых раздражении от 0.5 до 0.9 порога можно наблюдать, что развитие деполяризации происходит не прямолинейно, а по S-образной кривой. Деполяризация продолжает нарастать после прекращения раздражения, а затем сравнительно медленно исчезает. Этот процесс деполяризации получил название локального ответа, который имеет следующие основные свойства: первое – он возникает при действии подпороговых раздражителей; второе – он находится в градуальной зависимости от силы стимула, то есть не подчиняется закону «все или ничего»; третье – он локализуется в пункте действия раздражителя и практически не способен к распространению, так как характеризуется большой степенью затухания; четвертое – при нанесении нескольких подпороговых раздражений, следующих с интервалом меньше продолжительности отдельных локальных ответов они сум-мируются, и деполяризация мембраны возрастает. В период развития локального ответа изменяется ионная проницаемость мембраны, увеличивается поток ионов Na+ из межклеточной среды в цитоплазму и возбудимость структуры повышается.
Фазы потенциала действия: а – локальный ответ; б – потенциал действия, которому предшествует локальный ответ; в – следовая гиперполяризация. Стрелки – нанесение стимулов
По перечисленным выше свойствам локальный ответ сходен с такими явлениями как процесс местного нераспространяющегося возбуждения, а также с возбудитель-ным постсинаптическим потенциалом, возникающим на постсинаптической мембране под влиянием деполяризующего действия возбуждающих медиаторов
Потенциал действия. При нанесении достаточно сильных пороговых и сверх-пороговых импульсов тока деполяризация мембраны достигает некоторого критиче-ского (порогового) уровня и в реакциях аксона начинают проявляться существенные качественные изменения. Это электрической состояние мембраны называется кри-тическим уровнем деполяризации (Екр). Критический уровень деполяризации у различчных клеток и волокон неодинаков. Он может колебаться от нескольких мВ до 30-50 мВ.
А упомянутые качественные изменения состоят в том, что мембрана клетки начинает стремительно изменять свой потенциал и развивается явление, которое именуется
потенциалом действия.
Фазы потенциала действия. Потенциал действия имеет несколько фаз: при достижении критического уровня деполяризации потенциал клетки быстро нарастает в положительную область. Этот период потенциала действия называется фазой деполяризации. Затем развиваются следо-вые процессы в виде следовой деполяризации либо следовой гиперполяризации.
Уже в первых опытах А.Ходжкина и Э.Хаксли был обнаружен, на первый взгляд, удивительный эффект. Во время генерации потенциала действия мембранный потенциал уменьшался не просто до нуля, как следовало бы из уравнения Нернста, но изменял свой знак на противоположный.
То есть процесс деполяризации на этом не заканчивается и позитивный заряд на мембране продолжает расти. Он преодолевает нулевое значение потенциала и достигает значений +35 мВ. После достижения пика величина потенциала вновь падает в отрицательную область, опять пересекает 0 мВ и достигает вели-чины мембранного потенциала (потенциала покоя). Эта период носит название фазы реполяризации. Превышение потенциала действия над нулевой линией на-зывается овершутом (превышение, перехлест).
Перезарядка мембраны, или овершут, весьма характерна для большинства возбудимых тканей. Амплитуда овершута характеризует состояние мембраны и зависит от состава вне- и внутриклеточной среды. На высоте овершута потен-циал действия приближается к равновесному натриевому потенциалу, поэ-тому происходит изменение знака заряда на мембране.
Для потенциала действия характерна последовательность событий, когда самоусиливающаяся деполяризация начинается с небольшого изменения мембранного потенциала. Чтобы открылось достаточное для запуска этого процесса число натриевых каналов, начальное снижение мембранного потенциала должно деполяризовать мембрану до порогового уровня. Если этот порог достигнут, дальнейшее усиление деполяризующего стимула уже не будет влиять на максимальную величину сдвига мембранного потенциала: однажды запущенный про-цесс самопроизвольно идет до конца независимо от силы первоначального стимула. Эту реакцию именуют законом «все или ничего» и ее можно противопоставить плавному (градуальному) изменению потенциала при локальном ответе.
Локальный потенциал и потенциал действия
По своим свойствам они существенно отличаются. Это может свидетельствовать о том, что в их природе функционируют разные механизмы.
Таблица 1.1 Свойства локального потенциала и потенциала действия
Потенциал действия является основой процесса распространяющегося возбуждения и ему присущи ряд свойств: первое – он возникает при действии пороговых и сверхпороговых раздражителей на фоне критического уровня деполяризации; второе – он имеет четкий порог возникновения и подчиняется закону «все или ничего»; третье – он распространяется от места возникновения в виде волны возбуждения, без затухания и с большой скоростью – до 140 м/с; четвертое – потенциалы действия не способны к суммации.
Возбудимость клетки во время потенциала действия имеет фазовый характер, она быстро и сильно изменяется. Различают несколько фаз изменения возбудимости:
Кратковременное повышение возбудимости в начале потенциала действия. В зависимости от силы раздражителя может формироваться либо локальный потенциал, либо потенциал действия. Возбудимость повышается потому, что клетка частично деполяризована и потенциал покоя приближается к критическому значению. Когда деполяризация достигает 50% от пороговой величины, начинают открываться быстрые потенциал–чувствительные Na+ - каналы.
Фазовые изменения возбудимости клетки (Б): 1 – повышение возбудимости во время локального потенциала, 2 – абсолютная рефрактерная фаза, 3 – относительная рефрактерная фаза, 4 – фаза экзальтации во время потенциала действия (А)
Абсолютная рефрактерность– это полная невозбудимость клетки. Соответствует пику потенциала действия и продолжается 1-2 мс. Невозбудимость на фазе деполяризации и восходящей стадии инверсии обусловлена тем, что запущен каскад регенеративных реакций, на который повлиять извне уже нельзя: быстрые m-ворота Na+-каналов уже открыты, а еще закрытые открываются в ответ на уменьшение мембранного потенциала В период нисходящей стадии инверсии мембрана невозбудима, так как закрываются инактивационные ворота, состояние которых не может изменить даже сильное раздражение. Абсолютная рефрактерная фаза продолжается и в период реполяризации до достижения величины Екр ± 10 мВ. Абсолютная рефрактерная фаза ограничивает максимальную частоту генерации потенциала действия. Если абсолютная рефрактерность завершается через 2 мс после начала потенциала действия, клетка может возбуждаться с частотой около 500 имп/с. Нейроны ретикулярной формации и толстые миелиновые нервные волокна могут генерировать потенциалы действия с частотой до 1000 имп/с.
Относительная рефрактерная фаза – период восстановления возбудимо-сти, когда сильное раздражение может вызвать новое возбуждение. Соответствует конечной стадии реполяризации и следовой гиперполяризации. Пониженная возбудимость связана с повышенным транспортом иона К+ из клетки. Поэ-тому для вызова возбуждения необходимо более сильное раздражение. Кроме того во время гиперполяризации потенциал больше и, следовательно, дальше от-стоит от критического уровня деполяризации. У нервных волокон относительная рефрактерность длится несколько мс.
Фаза экзальтации – это период повышенной возбудимости. Он соответствует следовой деполяризации. В нейронах центральной нервной системы возможна частичная деполяризация вслед за гиперполяризацией. Повышенная возбудимость обусловлена пониженным мембранным потенциалом и повышенной проницаемостью мембраны для ионов Na+.
Потенциал действия
При поляризации мембраны клетки возникают три вида потен-циалов: пассивный электротонический потенциал, локальный от-вет и собственно потенциал действия.
Электротонический потенциал. Если наносятся раздражения, вели-чина которых не превышает половины величины порогового раздражения, то деполяризация мембраны наблюдается только во время действия разд-ражителя. Это пассивная электротоническая деполяризация или электро- тонический потенциал.
Развитие и исчезновение электротонического потенциала происходит по экспоненциальной кривой и определяется параметрами раздражающего то-ка, а также постоянной времени мембраны, то есть произведением сопро-тивления мембраны (Rm) на ее емкость (Сm) и описывается следующей формулой:
τm = RmСm (1.1)
где τm – постоянная времени мембраны или время, за которое пассивный элект-ротонический потенциал достигнет 63 % максимальной амплитуды, Rm – сопроти-вление, а Сm – емкость мембраны,
Распространение электротонического потенциала вдоль аксона омара, регистрируемое с помощью поверхностного электрода. Нарастание и спад потенциала проис-ходит по экспоненциальной кривой. Фаза роста напряжения описывается уравнением:
V=iR (1 – e-t/r) (1.2)
где t – время от начала импульса. Постоянная времениτm, как опи-сывалось, равна произведению RmCm. Это время, за которое по-тенциал возрастает до 63 % (1 - 1/e) своего максимального значе-ния. Спад напряжения тоже экспоненциален, с той же постоянной времени.
Поскольку практически у всех возбудимых клеток ее длина превышает диаметр, электротоничес-кие потенциалы распределяются неравномерно. В точке локализации стимулирующего электрода сдвиг потенциала происходит очень быстро и временные параметры определяются величиной емко-сти мембраны. В удаленных участках мембраны ток проходит не только через мембрану, но и преодоле-вает продольное сопротивление внутренней среды. Электротонический потенциал падает экспоненци-ально с увеличением длины, а расстояние, на кото-ром напряжение теряет 63 % первоначальной вели-чины (1–1/е) называют константой длины (λ). Во время развития электротонического потенциала ионная проницаемость мембраны практически не меняется.
Локальный ответ. При увеличении амплитуды подпороговых раздражении от 0.5 до 0.9 порога можно наблюдать, что развитие деполяризации происходит не прямолинейно, а по S-образной кривой. Деполяризация продолжает нарастать после прекращения раздражения, а затем сравнительно медленно исчезает. Этот процесс деполяризации получил название локального ответа, который имеет следующие основные свойства: первое – он возникает при действии подпороговых раздражителей; второе – он находится в градуальной зависимости от силы стимула, то есть не подчиняется закону «все или ничего»; третье – он локализуется в пункте действия раздражителя и практически не способен к распространению, так как характеризуется большой степенью затухания; четвертое – при нанесении нескольких подпороговых раздражений, следующих с интервалом меньше продолжительности отдельных локальных ответов они сум-мируются, и деполяризация мембраны возрастает. В период развития локального ответа изменяется ионная проницаемость мембраны, увеличивается поток ионов Na+ из межклеточной среды в цитоплазму и возбудимость структуры повышается.
Фазы потенциала действия: а – локальный ответ; б – потенциал действия, которому предшествует локальный ответ; в – следовая гиперполяризация. Стрелки – нанесение стимулов
По перечисленным выше свойствам локальный ответ сходен с такими явлениями как процесс местного нераспространяющегося возбуждения, а также с возбудитель-ным постсинаптическим потенциалом, возникающим на постсинаптической мембране под влиянием деполяризующего действия возбуждающих медиаторов
Потенциал действия. При нанесении достаточно сильных пороговых и сверх-пороговых импульсов тока деполяризация мембраны достигает некоторого критиче-ского (порогового) уровня и в реакциях аксона начинают проявляться существенные качественные изменения. Это электрической состояние мембраны называется кри-тическим уровнем деполяризации (Екр). Критический уровень деполяризации у различчных клеток и волокон неодинаков. Он может колебаться от нескольких мВ до 30-50 мВ.
А упомянутые качественные изменения состоят в том, что мембрана клетки начинает стремительно изменять свой потенциал и развивается явление, которое именуется
потенциалом действия.
Фазы потенциала действия. Потенциал действия имеет несколько фаз: при достижении критического уровня деполяризации потенциал клетки быстро нарастает в положительную область. Этот период потенциала действия называется фазой деполяризации. Затем развиваются следо-вые процессы в виде следовой деполяризации либо следовой гиперполяризации.
Уже в первых опытах А.Ходжкина и Э.Хаксли был обнаружен, на первый взгляд, удивительный эффект. Во время генерации потенциала действия мембранный потенциал уменьшался не просто до нуля, как следовало бы из уравнения Нернста, но изменял свой знак на противоположный.
То есть процесс деполяризации на этом не заканчивается и позитивный заряд на мембране продолжает расти. Он преодолевает нулевое значение потенциала и достигает значений +35 мВ. После достижения пика величина потенциала вновь падает в отрицательную область, опять пересекает 0 мВ и достигает вели-чины мембранного потенциала (потенциала покоя). Эта период носит название фазы реполяризации. Превышение потенциала действия над нулевой линией на-зывается овершутом (превышение, перехлест).
Перезарядка мембраны, или овершут, весьма характерна для большинства возбудимых тканей. Амплитуда овершута характеризует состояние мембраны и зависит от состава вне- и внутриклеточной среды. На высоте овершута потен-циал действия приближается к равновесному натриевому потенциалу, поэ-тому происходит изменение знака заряда на мембране.
Для потенциала действия характерна последовательность событий, когда самоусиливающаяся деполяризация начинается с небольшого изменения мембранного потенциала. Чтобы открылось достаточное для запуска этого процесса число натриевых каналов, начальное снижение мембранного потенциала должно деполяризовать мембрану до порогового уровня. Если этот порог достигнут, дальнейшее усиление деполяризующего стимула уже не будет влиять на максимальную величину сдвига мембранного потенциала: однажды запущенный про-цесс самопроизвольно идет до конца независимо от силы первоначального стимула. Эту реакцию именуют законом «все или ничего» и ее можно противопоставить плавному (градуальному) изменению потенциала при локальном ответе.
Локальный потенциал и потенциал действия
По своим свойствам они существенно отличаются. Это может свидетельствовать о том, что в их природе функционируют разные механизмы.
Таблица 1.1 Свойства локального потенциала и потенциала действия
| Свойства | Локальный потенциал | Потенциал действия |
| Распространение | На 1-2 мм с затуханием (с декрементом) | Без декремента по всей длине нервного волокна |
| Зависимость от величины стимула | Возрастает с увеличением силы раздражения | Не зависит (подчиняется закону «все или ничего») |
| Суммация | Суммируется - возрастает при частых повторных подпороговых раздражениях | Не суммируется |
| Амплитуда | 10-40 мВ | 90-130 мВ |
| Возбудимость при возникновении потенциала | Увеличивается | Уменьшается до рефрактерности |
Потенциал действия является основой процесса распространяющегося возбуждения и ему присущи ряд свойств: первое – он возникает при действии пороговых и сверхпороговых раздражителей на фоне критического уровня деполяризации; второе – он имеет четкий порог возникновения и подчиняется закону «все или ничего»; третье – он распространяется от места возникновения в виде волны возбуждения, без затухания и с большой скоростью – до 140 м/с; четвертое – потенциалы действия не способны к суммации.
Возбудимость клетки во время потенциала действия
Возбудимость клетки во время потенциала действия имеет фазовый характер, она быстро и сильно изменяется. Различают несколько фаз изменения возбудимости:
Кратковременное повышение возбудимости в начале потенциала действия. В зависимости от силы раздражителя может формироваться либо локальный потенциал, либо потенциал действия. Возбудимость повышается потому, что клетка частично деполяризована и потенциал покоя приближается к критическому значению. Когда деполяризация достигает 50% от пороговой величины, начинают открываться быстрые потенциал–чувствительные Na+ - каналы.
Фазовые изменения возбудимости клетки (Б): 1 – повышение возбудимости во время локального потенциала, 2 – абсолютная рефрактерная фаза, 3 – относительная рефрактерная фаза, 4 – фаза экзальтации во время потенциала действия (А)
Абсолютная рефрактерность– это полная невозбудимость клетки. Соответствует пику потенциала действия и продолжается 1-2 мс. Невозбудимость на фазе деполяризации и восходящей стадии инверсии обусловлена тем, что запущен каскад регенеративных реакций, на который повлиять извне уже нельзя: быстрые m-ворота Na+-каналов уже открыты, а еще закрытые открываются в ответ на уменьшение мембранного потенциала В период нисходящей стадии инверсии мембрана невозбудима, так как закрываются инактивационные ворота, состояние которых не может изменить даже сильное раздражение. Абсолютная рефрактерная фаза продолжается и в период реполяризации до достижения величины Екр ± 10 мВ. Абсолютная рефрактерная фаза ограничивает максимальную частоту генерации потенциала действия. Если абсолютная рефрактерность завершается через 2 мс после начала потенциала действия, клетка может возбуждаться с частотой около 500 имп/с. Нейроны ретикулярной формации и толстые миелиновые нервные волокна могут генерировать потенциалы действия с частотой до 1000 имп/с.
Относительная рефрактерная фаза – период восстановления возбудимо-сти, когда сильное раздражение может вызвать новое возбуждение. Соответствует конечной стадии реполяризации и следовой гиперполяризации. Пониженная возбудимость связана с повышенным транспортом иона К+ из клетки. Поэ-тому для вызова возбуждения необходимо более сильное раздражение. Кроме того во время гиперполяризации потенциал больше и, следовательно, дальше от-стоит от критического уровня деполяризации. У нервных волокон относительная рефрактерность длится несколько мс.
Фаза экзальтации – это период повышенной возбудимости. Он соответствует следовой деполяризации. В нейронах центральной нервной системы возможна частичная деполяризация вслед за гиперполяризацией. Повышенная возбудимость обусловлена пониженным мембранным потенциалом и повышенной проницаемостью мембраны для ионов Na+.