Потенциал действия
Потенциал действия - это сигнал, проходящий через аксон или через мышечное волокно и влияющий на другие нейроны или приводящий к мышечному сокращению. Возбуждение нейрона происходит, если мембранный потенциал Еm на аксонном холмике мотонейрона или на двигательной концевой пластинке мышечного волокна возрастает от потенциала покоя к менее отрицательным значениям (медленная деполяризация, А1). Эту деполяризацию может вызывать открывание постсинаптических катионных каналов, индуцированное медиаторами или электрический стимул из окружающей среды. Если Еm стимулируемой клетки приближается к критическому, или пороговому, потенциалу (А1), активируются «быстрые» потенциалзависимые Na+-каналы (Б4 и Б1). Это приводит к увеличению проводимости Na+, gNа+, и входу Na+ в клетку (А2). Если пороговый потенциал не достигается, ответ остается локальным (подпороговым).
Как только достигается пороговый потенциал, клетка отвечает быстрой деполяризацией по принципу «все или ничего»; это явление и носит название потенциала действия, ПД (А1). Потенциал действия формируется специфическим для данного типа клеток образом, независимо от величины стимула, который его индуцировал. Активируется большое количество Na+-каналов, и входящие токи Na+ ускоряют деполяризацию, которая, в свою очередь, увеличивает gNа+ и т. д. (положительная обратная связь). В результате Ет быстро ослабевает (в течение 0,1 мс в нервной клетке; быстрая фаза деполяризации) и временно достигает положительных значений (овершут, от +20 до +30 мВ). До наступления овершута gNа+ снижается (А2), так как за 0,1 мс инактивируются Na+-каналы (Б1 => БЗ). Потенциал обращается, и начинается восстановление потенциала покоя; это фаза реполяризации потенциала действия. Деполяризация увеличивает, хотя и сравнительно медленно, вероятность открывания потенциалзависимых К+-каналов. Это увеличивает проводимость для калия (gK+), что ускоряет наступление реполяризации.
Во многих случаях gK+ остается повышенной даже после восстановления исходного потенциала покоя (А2) и Ет временно приближается по значению к Eк, приводя к гиперполяризующему потенциалу последействия (следовому потенциалу) (А1). Электрически индуцированное увеличение активности Na+-К+-АТФазы может вносить вклад в развитие следового потенциала.
Возможна генерация очень длительной последовательности потенциалов действия (в некоторых нервных клетках с частотой до 1000 с-1), поскольку количество ионов, проникающих сквозь мембрану, очень мало (примерно 1/100 000 всех внутриклеточных ионов). Более того, Na+-К+-АТФаза обеспечивает непрерывное восстановление начальной ионной концентрации.
Во время потенциала действия клетка остается нечувствительной к дальнейшей стимуляции; наступает период рефрактерности. Во время периода абсолютной рефрактерности не может быть индуцирован новый потенциал действия даже при наличии очень сильного стимула, поскольку Na+-каналы не могут быть активированы в деполяризованной мембране (БЗ). За периодом абсолютной рефрактерности следует период относительной рефрактерности, в течение которого даже при наличии сильного стимула может быть генерирован лишь потенциал действия малой амплитуды и скорости. Рефрактерный период заканчивается, когда значение мембранного потенциала возвращается к потенциалу покоя.
Степень активации Na+-каналов и, таким образом, сила Na+-TOKOB, INа+, зависит от потенциала покоя, предшествующего возбуждению, а не от продолжительности деполяризации. Активация Na-каналов достигает максимума при потенциале покоя —100 мВ, а при 60 мВ активность Na+-каналов составляет лишь 40% от максимальной. У млекопитающих Na+-каналы не могут быть активированы при потенциале покоя <50 мВ (БЗ). Период рефрактерности (абсолютной и относительной) (см. выше), т. е. отсутствие возбудимости клеток, наблюдается после введения деполяризующих веществ, таких как суксаметоний.
Повышенная внеклеточная концентрация Са2+ усложняет стимуляцию клетки, так как пороговый потенциал становится менее отрицательным. С другой стороны, возбудимость увеличивается (с понижением порогового потенциала) при гипокальциемических состояниях, например во время мышечного спазма при тетании
Распространение потенциала действия по нервному волокну
При приложении напряжения по электрическому проводу течет электрический ток. Внутри провода находится металлическая проволока, она хорошо изолирована и имеет низкое сопротивление, сводя потерю тока к минимуму. В результате передача тока может осуществляться на большие расстояния. Нервные волокна, особенно немиелинизированные, имеют значительное внутреннее сопротивление (Bвнутр.) и не очень хорошо изолированы от окружения. Таким образом, передача нервных импульсов напоминает электрический ток, текущий по проводу, но процесс очень быстро истощается. Передаваемые импульсы требуют постоянного «обновления» с помощью генерации новых потенциалов действия.
Распространение потенциала действия (ПД). Начало потенциала действия сопровождается кратким притоком Na+ в нервное волокно (А1а). Клеточная мембрана, которая ранее была изнутри заряжена отрицательно, теперь становится положительно заряженной (от +20 до +30 мВ), таким образом создавая продольную разность потенциалов на близлежащих, еще не испытавших стимула отрезков нерва (отрицательных изнутри, от -70 до -90 мВ). За этим следует пассивное перемещение заряда из близлежащего отрезка нервного волокна, вызывающее его деполяризацию. Если деполяризация превышает пороговый уровень, создается потенциал действия в близлежащем отрезке нерва, а потенциал действия на предыдущем участке исчезает (А1б).
Поскольку мембрана действует как конденсатор, перемещение заряда представляет собой деполяризующий ток, который становится меньше и растет менее круто с увеличением расстояния. По причине сравнительно высокого сопротивления Rвнутр нервного волокна обратные токи пересекают мембрану сравнительно близко к участку возбуждения, и ток вдоль волокна с расстоянием уменьшается. В то же время деполяризация увеличивает движущую силу (Em- Ek) для выхода К+. Покидающий клетку К+, таким образом, ускоряет реполяризацию. Отсюда следует, что распространение потенциала действия ограничено расстоянием, где аккумулированных токов хватает для достаточно сильной и быстрой деполяризации мембраны. Иначе Na+-каналы будут дезактивированы до достижения порогового потенциала.
Потенциалы действия обычно направлены вперед (ортодромны), поскольку каждый отрезок нервного волокна становится рефрактерным после прохождения потенциала действия (А1б). Однако если импульсы проводятся в противоположном направлении (антидромны), например, стимуляции нервного волокна из внешнего источника, они закончатся у следующего синапса (волнообразный импульс).
Несмотря на то что постоянная генерация потенциала действия в прилегающем отрезке нервного волокна гарантирует обновление сигнала, этот процесс требует времени (Б1). Скорость проведения сигнала в немиелинизированных нервных волокнах (тип С) (В) составляет только 1 м/с. Миелинизированные нервные волокна (типы А и В; В) проводят сигнал гораздо быстрее (до 80 м/с у человека). В участках между перехватами миелиновая оболочка изолирует нервное волокно от окружающей среды и, таким образом, продольные токи здесь достаточно сильные, чтобы генерировать потенциалы действия, способные распространяться далее вниз по аксону (примерно на 1,5 мм) (А2). Это приводит к более эффективной проводимости, так как потенциалы действия генерируются только у немиелинизированных перехватов Ранвье, где имеется высокая плотность Nа+-каналов. В результате потенциал действия быстро и скачкообразно распространяется от перехвата к перехвату (сальтаторное распространение). Сальтаторное расстояние ограничено, так как продольные токи (от 1 до 2 нА) становятся слабее с увеличением дистанции (Б2). Перед тем как они падают ниже порогового уровня, сигнал должен быть обновлен новым потенциалом действия с потерей во времени в 0,1 мс.
Поскольку внутреннее сопротивление нервного волокна Rвнутр ограничивает распространение деполяризации; как описано выше, диаметр аксона (2г) также влияет на скорость проведения сигнала, 0 (В). Сопротивление нервного волокна Rвнутр пропорционально площади его поперечного сечения (лr), т. е. Rвнутр. ~ 1 /r2. Тонкие волокна, таким образом, требуют на единицу длины меньше новых потенциалов действия, что увеличивает скорость проведения сигнала 0. Возрастание диаметра волокна сопровождается увеличением обхвата волокна (2лr) и мембранной емкости К (мембранная емкость К пропорциональна r). Несмотря на то что скорость проведения сигнала 0 уменьшается, влияние меньшего Rвнутр преобладает по причине квадратичной зависимости от r.