Кинетика ионных токов во время возбуждения

Регистрация мембранных токов. Деполяризация, возникающая при возбуждении, изменяет проводимость мембраны для различных ионов, что в свою очередь вызывает изменение потенциала. Анализ этого сложного процесса производится путем оценки зависимости проводимости мембраны от мембранного потенциала. Ступенчатый сдвиг потенциала от базальной линии до тестирующего потенциала создается путем подведения к клетке тока, поступающего от электронного усилителя. Производится измерение тока, необходимого для такой «фиксации потенциала»;этот ток представляет собой зеркальное отражение тока, генерируемого клеточной мембраной в ответ на сдвиг потенциала [23, 24]. На рис. 2.6 показан временной ход мембранного тока в этих условиях для двух перехватов Ранвье (с. 47) нерва лягушки. Ступенчатые сдвиги от исходного потенциала до —60, —30, 0, +30 и +60 мВ вызывают комплексные токи, состоящие из суммы Na⁺и К⁺-токов. Эти компоненты можно разделить, блокируя один из них специфическим ингибитором.

На рис. 2,6, Б представлены результаты после применения тетраэтиламмония (ТЭА) для блокирования К⁺-токов [33]; следовательно регистрируемые кривые здесь отражают Na⁺-токи. Эти Na⁺токи отрицательны при тестирующих потенциалах ниже +40 мВ; ионы Na входят в нервные волокна. При +30 мВ Na⁺-токи все еще отрицательны, но их амплитуда мала, а при + 60 мВ, по другую сторону от уровня равновесного потенциала для Na⁺, направление токов меняется. После каждого деполяризующего сдвига потенциала Na⁺-ток очень быстро достигает максимума, а затем, если деполяризация поддерживается, возвращается к нулю. Такая инактивация Na⁺-токов протекает наиболее медленно при небольших деполяризациях и ускоряется с увеличением деполяризации: при +30 мВ Na⁺-ток практически прекращается уже через 1 мс.

Эксперимент, результаты которого представлены на рис. 2.6, Б, был дополнен (рис. 2.6, Г) блокированием Na⁺-токов тетродотоксином (ТТХ) [35], чтобы выявить временной ход К⁺ -токов. Зарегистрированные К⁺-токи положительны в пределах все-

го диапазона тестирующих потенциалов; равновесный потенциал для К⁺ находится на уровне около — 100 мВ, так что при потенциалах от —60 мВ до + 60 мВ К⁺-токи выходят из нерва. Амплитуда К⁺-токов возрастает примерно пропорционально величине деполяризации. Даже при самой большой деполяризации ток начинается с задержкой порядка 0,5 мс; в течение примерно 5 мс ток достигает плато и удерживается на этом уровне в течение всего периода деполяризации. В отличие от Na⁺-токов, К⁺-токи в нейронах не инактивируются. Другое важное различие между К⁺- и Na⁺-токами состоит в том, что Na⁺-ток достигает максимума очень быстро после начала деполяризации, тогда как К⁺ - ток возникает после некоторой задержки и затем нарастает относительно медленно.

Na⁺- и К ⁺ -проводимость во время потенциала действия. Временной ход мембранной проводимости для Na⁺ и К⁺ можно рассчитать путем деления амплитуд соответствующих токов (рис. 2.6) на разность между тестирующим и равновесным потенциалами для соответствующего иона. Подобные данные можно также получить для небольших скачков потенциала. Пусть, например, известна амплитуда тока, вызванного маленьким скачком потенциала в околопороговом диапазоне. Этот ток протекает по мембранной емкости и идет через мембранное сопротивление, значения которых известны (см. рис. 2.16 и 2.17), вызывая небольшую деполяризацию. Этот потенциал в свою очередь вызывает дополнительный ток, который ведет к дальнейшей деполяризации и значение которого можно вычислить. Продолжая работать с такими небольшими скачками потенциала и временными отрезками, можно воспроизвести временной ход потенциала действия по зарегистрированным потенциалзависимостям амплитуд и временного хода g_Na иg_K. На рис. 2.7 изображен реконструированный таким образом потенциал действия, а также временной ход gNa и g_K. При достижении порогового потенциала g_Na резко нарастает; она достигает максимума раньше пика потенциала действия, поскольку уже начинается инактивация Na⁺-тока, и в течение 1 мс g_Na возвращается к исходному уровню. Напротив, g_K нарастает медленно, с некоторой задержкой после начала деполяризации. Она достигает своего максимума поздно, когда реполяризация уже наполовину завершена, и затем снижается, так как снижается деполяризация. Таким образом, повышение g_K ускоряет вторую фазу реполяризации и служит причиной гиперполяризационного следового потенциала после потенциала действия (рис. 2.7); в то время как g_K все еще превышает значение потенциала покоя, мембранный потенциал смещается от уровня покоя по направлению к отрицательному калиевому равновесному потенциалу Е_к.