Ионные токи во время следовых потенциалов

Во многих клетках после быстрой деполяризации, которая соответствует потенциалу действия, развиваются де- или гиперполяризационные следовые потенциалы (рис. 2.4 и 2.5). Природа таких следовых потенциалов может быть разной; кратко опишем два наиболее важных типа.

Кратковременный гиперполяризационный следовой потенциал наблюдается сразу после реполяризации во многих нервных клетках и в некоторых клетках миокарда (рис. 2.5). Этот следовой потенциал представляет собой избыточную реполяризацию; когда во время фазы реполяризации потенциал достигает уровня покоя, g_K еще не возвращается к своему исходному уровню (рис. 2.7), т. е. g_K в отличие от g_Na превышает уровень покоя. Следовательно, мембранный потенциал ближе подходит к значению Е_к, чем это было в покое. Возникающая в результате гиперполяризация затухает по мере спада повышенного уровня g_K. Такой механизм кратковременной гиперполяризации после потенциала действия участвует в развитии ритмического возбуждения; мы вернемся к нему ниже (с. 48).

Длительные гиперполяризационные следовые потенциалы,которые суммируются при достаточно высокой частоте возбуждения, особенно хорошо выражены в тонких нервных волокнах позвоночных-волокнах группы IV. Такие длительные гиперполяризационные следовые потенциалы обеспечиваются электрогенным Na⁺-насосом (с. 14-17), который удаляет из клетки Na⁺, вошедший в нее во время возбуждения [28]. Они исчезают, если предотвратить активность насоса веществами, блокирующими метаболизм, например ДНФ (ср. рис. 1.7).

«Стабилизирующее» влияние [Са²⁺]₀ на потенциал покоя. Зависимость Na⁺-токов от тестирующего потенциала, которую иллюстрирует рис. 2.6, может изменяться при различных воздействиях. Блокада некоторых Na⁺-каналов тетродотоксином или аналогично действующими веществами, а также изменения плотности Na⁺-каналов в мембране влияют только на амплитуду, но не на зависимость от потенциала или временной ход Na⁺-токов. Характерные смещения зависимости мембранных токов от потенциала происходят при изменениях внеклеточной концентрации Са²⁺, [Са²⁺]₀. На рис. 2.10 графики зависимости максимальной Na⁺-проницаемости, P_Na, от тестирующих потенциалов (абсцисса) построены при разных значениях [Ca^{2 +} ]₀. Графики для P_Na, построенные в логарифмическом масштабе, вначале имеют вид поднимающейся прямой, а затем выходят на уровень насыщения. Влияние [Са²⁺]₀ заключается в параллельном смещении графиков зависимости P_Na от потенциала вдоль оси абсцисс: при [Са²⁺]₀ = 0 небольшие деполяризации вызывают значительные изменения P_Na, тогда как при высоких [Са²⁺]₀ такой же Na⁺-ток может возникнуть только при деполяризации не менее чем на 35 мВ. Следовательно, снижение [Са^{2 +} ]₀ способствует генерированию потенциалов действия во время деполяризации. Влияние [Ca²⁺]₀ на P_Na, показанное на рис. 2.10, осложняется еще одним эффектом, действующим в том же направлении,- влиянием на зависимость инактивации от потенциала.

Кривые зависимости I_{Na max} от исходного потенциала (рис. 2.8) при изменениях [Ca^{2 +} ]₀ смещаются вдоль оси абсцисс точно таким же образом, как и кривые на рис. 2.10. В результате снижение [Са^{2 +} ]₀ сопровождается не только более значительным увеличением P_Na в ответ на такую же деполяризацию (рис. 2.10), но и абсолютным уменьшением максимально возможного прироста I_Na (рис. 2.8). Общий эффект, однако, состоит в том, что уменьшение [Са²⁺]₀ведет к снижению порога генерации потенциала действия, т.е. повышает возбудимость, тогда как увеличение [Са^{2 +} ]₀ «стабилизирует» мембранный потенциал. Заметные локальные сдвиги [Ca^{2 +} ]₀ не так уж необычны в организме; например, в ЦНС при усилении активности (особенно в синапсах; см. с. 62) поступление Са^{2 +} в клетки ведет к снижению [Ca^{2 +} ]₀ в ограниченных межклеточных пространствах (рис. 2.3); возбудимость клеток повышается, что может сопровождаться генерированием разрядов судорожного типа [13]. Общее снижение [Са^{2 +} ]₀ в плазме крови вызывает синдром тетании,при котором нерегулируемое возбуждение мышц приводит к судорогам.

Удивительное параллельное смещение графиков потенциалзависимости Na⁺-токов (и других мембранных токов) при повышении [Са^{2 +} ]₀ интересно с физической точки зрения. Как показывает представленная на рис. 2.15 модель Na⁺-канала, наружная сторона мембраны несет фиксированные заряды, главным образом отрицательные. Они принадлежат фосфо- и гликолипидам, а также гликопротеинам (рис. 1.2). Эти заряды удерживают около мембраны ионную оболочку, которая, по приблизительной оценке, обеспечивает примерно половину общего градиента мембранного потенциала, так что канальные белки «чувствуют» не более половины разности потенциалов, существующей между внутренней средой и наружной поверхностью клетки [3, 26]. Ионы Ca²⁺ взаимодействуют с фиксированными зарядами на поверхности плазматической мембраны, нейтрализуя их. Поэтому при высокой [Са^{2 +} ]₀ общий наружный отрицательный заряд снижается, а отрицательный потенциал, действующий на ионные каналы, увеличивается. По этой причине для получения при 20 мМ [Са^{2 +} ]₀ такого же повышения P_Na, что и при 2 мМ [Ca² ]₀, потребуется примерно на 20 мВ более значительная деполяризация. И наоборот, при снижении [Са²⁺]₀ отрицательный поверхностный заряд возрастает и графики потенциалзависимости смещаются в сторону меньших значений деполяризации.

Эффекты поверхностных отрицательных зарядов рассматривались здесь не только для того, чтобы объяснить влияние изменений [Са^{2 +} ]₀. Смещения потенциалзависимости, аналогичные представленным на рис. 2.10,наблюдаются и при сдвигах внеклеточного pH. При снижении pH возрастает [Н⁺]_о, что уменьшает отрицательный заряд поверхности мембраны-эффект, аналогичный результату повышения [Са²⁺]₀. Снижение pH до 4,5, так же как повышение [Са^{2 +} ]₀ на рис. 2.10, может вызвать смещение активации P_Na на 25 мВ. Изменения pH тканей в зависимости от метаболизма вполне возможны. Состояние поверхностного заряда мембраны может также влиять на связывание и активность ионизированных веществ, действие которых аналогичным образом зависит от [Са²⁺]₀ и от pH [3, 26, 33].

ГЛАВА 2. ПЕРЕДАЧА ИНФОРМАЦИИ ПОСРЕДСТВОМ ВОЗБУЖДЕНИЯ 35

Рис. 2.10. Зависимость максимальной Na+ -проницаемости, PNa, от величины скачков деполяризации. Перехват Ранвье был деполяризован от исходного мембранного потенциала —80 мВ до тестирующих потенциалов, отложенных по оси абсцисс. На вставке: деполяризация до тестирующего потенциала и возникающий в ответ Na+-ток, lNa. Максимум INa определяет (вместе с внутри- и внеклеточной концентрациями Na+ и мембранным потенциалом) максимальную PNa в соответствии с уравнением 7 (гл. 1). Кривые зависимости PNa от потенциала смещаются вдоль оси абсцисс при изменениях внеклеточной концентрации Са2+ ([Са2+]0 от 0 до 20 мМ). При снижении [Са2+]0| пороговая деполяризация для повышения PNa уменьшается; происходит повышение возбудимости перехвата Ранвье (по [3] с изменениями)