Потенціал дії. Механізм виникнення та розповсюдження нервового імпульсуРозглянуті нами потенціали спокою свідчать про те, що цитоплазма незбудженої клітини має негативний електричний потенціал по відношенню до позаклітинного середовища (). Збудження клітини може привести до виникнення потенціалу дії (або спайку), при цьому спостерігається спонтанне обернення знаку мембранного потенціалу. Для виникнення потенціалу дії (ПД), необхідно викликати локальний зсув потенціалу , на внутрішній поверхні мембрани до значення, яке перевищувало б значення, що зветься пороговим (тобто ). Таку зміну потенціалу можна викликати штучно, пропускаючи крізь мембрану короткочасний збуджуючий струм (стимул). Якщо зсув негативного потенціалу на внутрішньому боці мембрани не перевищує , то після вимкнення стимулу потенціал повільно повертається до первісного значення (мал. 6.33). Мал. 6.33. 3будження мембрани за допомогою короткочасного збуджуючого струму (стимулу): а) підпороговий імпульс, б) пороговий імпульс (згасаючий спайк), в) потенціал дії (ПД). Якщо ж зсув перевищив , то виникне подальше спонтанне зростання і після припинення стимулу. При цьому значення досягає нуля і продовжує швидко мінятися у додатному напрямку (мал. 6.33в). Таким чином, виникає обернення знаку (деполяризація мембрани). Потенціал досягає максимального значення +40¸50 мВ, після чого, протягом приблизно мілісекунди, повертається до вихідного значення (– 70 мВ). В аксоні кальмара весь спайк триває приблизно 6 мс. Виникнення потенціалу дії спричинене різким збільшенням проникності мембрани для іонів Na+, що виникає при умові зростання потенціалу вище . Іони Na+, входячи всередину клітини, призводять до ще більшого зростання потенціалу на внутрішньому боці мембрани, що викликає, в свою чергу, подальше зростання проникності мембрани для іонів Na+ і, як наслідок, – зростання швидкості їх проникнення всередину клітини. Зростання потенціалу на внутрішньому боці мембрани викличе, з деяким запізненням, повільне збільшення проникності мембрани для іонів К+, внаслідок пасивної дифузії вони почнуть виходити назовні. При цьому спостерігається повернення мембранного потенціалу від максимального до вихідного значення (від +40 до –70 мВ). Це процес так званої реполярізації (мал. 6.34). Слід підкреслити, що іони Na+, що увійшли у клітину під час зростання ПД, можуть вийти зовні тільки внаслідок роботи Nа+-К+-насосу. Після ПД спостерігається період незбудження, або абсолютний рефракторний період, під час якого не може виникнути наступний ПД. Він триває від 0.5 до 2 мс. За цей час внаслідок роботи Na+-K+-насосу відбувається відновлення вихідних значень концентрацій іонів Na+ і К+.
Таким чином, формування ПД спричинене двома іонними потоками крізь мембрану: потік іонів Na+ всередину клітини викликає перезарядку мембрани, а протилежно спрямований потік К+ – відновлення вихідного значення потенціалу спокою. Потоки зсунуті у часі, завдяки чому можлива поява ПД (мал. 6.35). Потенціал дії, що виник на певній ділянці нервової клітини, швидко розповсюджується вздовж її поверхні завдяки локальним струмам між збудженими і незбудженими ділянками нервового волокна (мал. 6.36). Локальні струми чинять подразнюючу дію на сусідні незбуджені ділянки і викликають зміну проникності мембрани. Локальні струми деполяризують мембрану до певного рівня, а ПД на кожній ділянці виникає внаслідок іонних потоків Na+ та К+, спрямованих перпендикулярно напрямку розповсюдження збудження. Теорію генерації і розповсюдження потенціалу дії запропонували у 1948–1952 pp. А. Ходжкін і А. Хакслі. Згідно з моделлю Ходжкіна і Хакслі, зміна іонних провідностей при зсувах мембранних потенціалів спричинена впливом електричного поля на просторовий розподіл у мембрані заряджених активуючих частинок. На мал. 6.37 подано еквівалентну схему елемента збудливої мембрани нервового волокна. Вона являє собою електричне коло з чотирма паралельними вітками. Одна з них містить електричну ємність, а інші відтворюють натрієву (g Na), калієву (g K) провідності мембрани і так звану провідність відтоку (gвідт).У кожну з цих віток включені джерела електрорушійної сили (), які дорівнюють відповідним рівноважним потенціалам Нернста:
. Електричний струм крізь мембрану можна подати у вигляді: , (6.65) де . Перший доданок у рівнянні (6.65) – це ємнісний струм, пов’язаний зі зміною різниці потенціалів на мембрані, а другий доданок – іонний струм. Експериментально Ходжкін і Хакслі довели, що іонний струм ji прямопропорційний різниці потенціалів на мембрані і рівноважному мембранному потенцілау Нернста для відповідного сорту іонів: (6.66) Останнє рівняння в (6.66) враховує іонні струми всіх інших іонів: Са2+, Сl– тощо. Коефіцієнти gi в (6.66) характеризують провідності каналів. Провідність каналів може змінюватись внаслідок їх активації. Активація каналу – процес імовірнісний, котрий можна описувати за допомогою рівнянь хімічної кінетики за схемою: Неактивований канал Активований канал, де і – константи швидкостей активації та інактивації відповідно. Нехай C 0 – загальна кількість каналів, а С – кількість активованих каналів, тоді C 0 – С – кількість неактивованих каналів. Швидкість виникнення активованих каналів дорівнюватиме . (6.67)
Поділимо рівняння (6.67) на C 0 і позначимо C / C 0 = n – доля активованих каналів, тоді рівняння (6.67) набуде вигляду , (6.68) або . (6.69) Розв’язок рівняння (6.69) має вигляд: . Константу А визначимо з умови: коли t = 0, n = 0: . Остаточно маємо: . (6.70) Коли , то: , (6.71) де – постійна часу встановлення рівноваги в каналі. Графік рівняння (6.71), що описує кінетику активації каналів, наведено на мал. 6.38. Експериментально було встановлено, що для калієвого каналу , (6.72) де – максимальне значення провідності. Ступінь “4” пов’язаний з тим, що К+-канал відчиняється, коли до нього підходять чотири негативні заряди (наприклад, коли канал залишають два іони Са2+). Для натрієвого каналу: , (6.73) де m – доля активованих, a h – інактивованих каналів. Згідно з (6.73) Na+-канал відчиняється, коли до нього потрапляють 3 активуючі (негативні) і видаляється 1 блокуюча (позитивна) частинки.
Рівняння, які описують зміну в часі долі активованих та інактивованих Na+-каналів, мають той самий вигляд, що й для К+-каналів (6.68), тобто: (6.74) Таким чином, рівняння для сили струму крізь мембрану (6.65) з урахуванням (6.66), (6.72) та (6.73) набуває вигляду: (6.75) Знайдемо зв’язок між струмом крізь мембрану і струмом вздовж аксона. Для цього розглянемо елемент поверхні аксона довжиною dx (мал. 6.39). Площа поверхні цього елементу dS = 2 prdx, де r – радіус аксона. Сила струму крізь мембрану аксона дорівнює: . (6.76) Наявність мембранного струму буде призводити до зменшення струму вздовж аксона, при цьому зрозуміло, що: , (6.77) тобто струм крізь мембрану дорівнюватиме зменшенню струму вздовж аксона. З рівнянь (6.76) та (6.77) витікає, що: . (6.78) З другого боку, сила струму в аксоплазмі згідно з законом Ома дорівнює: , де dRa – опір аксоплазми, причому: , де – питомий опір аксоплазми. Тоді рівняння (6.78) набуває вигляду: . (6.79) Остаточно, враховуючи (6.79), отримаємо рівняння Ходжкіна-Хакслі: (6.80) У ліву частину рівняння Ходжкіна-Хакслі введемо швидкість поширення нервового імпульсу, беручи до уваги, що поширення нервового імпульсу вздовж аксона, можна описати хвильовим рівнянням: . Тоді рівняння (6.70) набуває вигляду: (6.81) Розв’язок рівняння (6.81) з використанням одержаних експериментально значень , дозволяє розрахувати швидкість поширення нервового імпульсу (наприклад, в аксоні кальмара), яка отримана експериментально для цього випадку і дорівнює: υексп = 21.2 м / с. Як відомо, швидкість поширення ПД залежить від того, чи має аксон мієлінову оболонку, чи така оболонка відсутня. У першому випадку розповсюдження нервового імпульсу відбувається стрибками через перехвати Ранв’є і тому має значно більшу швидкість, ніж у другому випадку.
|