На кривой потенциала действия различают восходящую и нисходящую фазы. Поскольку во время восходящей фазы происходит исчезновение исходной поляризации мембраны, ее называют фазой деполяризации; соответственно нисходящую фазу, в течение которой поляризация мембраны возвращается к уровню покоя, называют фазой деполяризации.
Фаза деполяризации. При действии деполяризующего раздражителя на клетку (медиатор, электрический ток) начальная частичная деполяризация клеточной мембраны происходит без изменения ее проницаемости для ионов. Поэтому, несмотря на наличие движущей силы (концентрационный и электрический градиенты), движение Na+ в клетку через быстрые потенциалчувствительные Na-каналы отсутствует. Напомним, что клетка внутри заряжена отрицательно (разноименные заряды притягиваются друг к другу), а концентрация Na+ вне клетки в 10—12 раз больше, чем внутри клетки. Условием же, обеспечивающим вход Na+ в клетку, является увеличение проницаемости клеточной мембраны, которая определяется состоянием воротного механизма Na-каналов (в некоторых клетках, например в кардиомиоцитах, в волокнах гладкой мышцы, важную роль в возникновении ПД играют управляемые каналы для Са2+). Длительность пребывания электроуправляемого канала в открытом состоянии зависит от величины мембранного потенциала. Суммарный ток ионов в любой момент определяется числом открытых каналов клеточной мембраны и наличием электрохимических градиентов ионов. Часть ионного канала, обращенная во внеклеточное пространство, отличается от части канала, обращенной внутрь клеточной среды (П.Г.Костюк).
Воротный механизм Nа-каналов расположен на внешней и внутренней сторонах клеточной мембраны, воротный механизм К-каналов — на внутренней (К+ движется из клетки наружу). В каналах для Nа+имеются активационные m-ворота, которые расположены с внешней стороны клеточной мембраны (Na+ движется внутрь клетки во время ее возбуждения), и инактивационные h-ворота, расположенные с внутренней стороны клеточной мембраны. В условиях покоя активационные m-ворота закрыты, инактивационные h-ворота преимущественно (около 80 %) открыты (см. рис. 2, Б-1); закрыты также калиевые активационные ворота (см. рис.2, В-1), инактивационных ворот для К+ нет. Некоторые авторы называют m-ворота быстрыми, h-ворота — медленными, поскольку они в процессе возбуждения клетки реагируют позже, нежели m-ворота. Однако более поздняя реакция h-ворот связана с изменением заряда клетки, как и m-ворот, которые открываются в процессе де-поляризации клеточной мембраны. h-ворота закрываются в фазе инверсии, когда заряд внутри клетки становится положительным, что и является причиной их закрытия, при этом нарастание пика ПД прекращается. По существу m-ворота являются ранними, h-ворота — поздними.
Когда деполяризация клетки достигает критической величины (Екр., критический уровень деполяризации — КУД), которая обычно составляет 50 мВ (возможны и другие величины), проницаемость мембраны для Na+ резко возрастает — открывается большое число потенциалзависимых m-ворот Na-каналов (см. рис.2, Б-2) и Na+ лавиной устремляется в клетку. Через один открытый Na-канал за 1 мс проходит до 6000 ионов. В результате интенсивного тока Na+ внутрь клетки процесс деполяризации проходит очень быстро. Развивающаяся деполяризация клеточной мембраны вызывает дополнительное увеличение ее проницаемости и, естественно, проводимости Na+ — открываются все новые и новые активационные m-ворота Na-каналов, что придает току Na+ в клетку характер регенеративного процесса. В итоге ПП исчезает, становится равным нулю. Фаза деполяризации на этом заканчивается.
Фаза реполяризации связана с тем, что проницаемость клеточной мембраны для К+ все еще высока (активационные ворота калиевых каналов открыты), К+ продолжает быстро выходить из клетки согласно концентрационному градиенту. Поскольку клетка теперь уже снова внутри имеет отрицательный заряд, а снаружи — положительный (см. рис. 2, А-3), электрический градиент препятствует выходу К+ из клетки, что снижает его проводимость, хотя он продолжает выходить. Это объясняется тем, что действие концентрационного градиента выражено значительно сильнее электрического градиента. Таким образом, вся нисходящая часть пика ПД обусловлена выходом К+ из клетки. Нередко в конце ПД наблюдается замедление реполяризации, что объясняется уменьшением проницаемости клеточ¬ной мембраны для К+ и замедлением выхода его из клетки из-за закрытия значительной части ворот К-каналов. Вторая причина замедления тока К+ из клетки связана с возрас¬танием положительного заряда наружной поверхности клетки и формированием противоположно направленного электрического градиента.
При наличии определенного ПП, как следует из описанных механизмов, ПД не должен возникать, если клетку перенести в соле¬вой раствор, не содержащий Na+, что и было продемонстрировано в экспериментах. Если аксон помещать в растворы с различной концентрацией Na+, величина ПД будет уменьшаться с уменьшением концентрации Na+ в окружающей нервное волокно среде. ПД также уменьшается, если частично заблокировать Na-каналы тетродотоксином. При их полной блокаде ПД вообще не возникает. Возможность временного нарушения работы Na-каналов широко используется в клинической практике. Так, с помощью местных анестетиков расстраивается механизм управления ворот Na-каналов. Это приводит к прекращению проведения возбуждения в соответствующем участке нерва, устранению болевых ощущений, например, при хирургических вмешательствах. Таким образом, главную роль в возникновении ПД играет Na+, входящий в клетку при повышении проницаемости клеточной мембраны и обеспечивающий всю восходящую часть пика ПД. При замене Na+ в среде на другой ион, например холин, ПД в нервной и мышечной клетках скелетной мускулатуры не возникает. Однако проницаемость мембраны для К+ тоже играет важную роль. Если повышение проницаемости для К+ предотвратить тетраэтиламмонием, мембрана после ее деполяризации реполяризуется гораздо медленнее, только за счет медленных неуправляемых каналов (каналов утечки ионов), через которые К+ будет выходить из клетки.
Роль Са2+ в возникновений ПД в нервных и мышечных клетках скелетной мускулатуры незначительна. Однако Са2+ играет важную роль в возникновении ПД в сердечной и гладкой мышцах, в передаче импульсов от одного нейрона к другому, от нервного волокна к мышечному, в обеспечении мышечного сокращения. Снижение содержания Са2+ в крови на 50 %, что иногда встречается в клинической практике, может привести к судорожным сокращениям скелетных мышц. Это объясняется значительным повышением возбудимости нервных и мышечных клеток в результате снижение ПП из-за уменьшения степени нейтрализации отрицательных фиксированных зарядов на поверхности клеточной мембраны и отрицательно заряженных карбоксильных групп интерстиция. Вследствие этого повышается реактивность нейронов, так как ПП приближается к Екр, кроме того, начинается активация Na-каналов. В ответ на поступление самой незначительной импульсации нейроны начинают генерировать ПД в большом количестве, что проявляется в судорожных сокращениях скелетной мускулатуры. При этом нейроны ЦНС и нервные волокна могут разряжаться и спонтанно.
Каждая клетка превращает часть своей метаболической энергии в электростатическую энергию. Источником электрического поля клетки является плазматическая мембрана. Существует разность потенциалов между внутренней и внешней поверхностями плазматической мембраны. Эта разность потенциалов называется мембранным потенциалом.
Разность потенциалов между внутренней и внешней средами клетки может измеряться непосредственно и довольно точно. Для этого используют микроэлектрод, представляющий собой стеклянную микропипетку с диаметром кончика до 1мкм, заполненную концентрированным раствором KCl. Микроэлектрод подключают к усилителю напряжения регистрирующего устройства. Можно измерять мембранный потенциал мышечных, нервных клеток или клеток других тканей. Другой электрод (референтный) установлен на поверхности ткани.
Когда кончик микроэлектрода находится вне клетки, его потенциал по отношению к референтному электроду равен нулю. Если конец электрода погружают в клетку, прокалывая плазматическую мембрану, разность потенциалов резко становится отрицательной. На шкале измерительного устройства регистрируется разность потенциалов между внутренней и внешней средами клетки. Эта разность потенциалов называется трансмембранной, или мембранным потенциалом.
Если клетка находится в состоянии покоя, её мембранный потенциал имеет отрицательное значение и устойчивую величину. Обычно его называют мембранным потенциалом покоя. Мембранный потенциал покоя клеток различных тканей составляет от - 55 милливольт (мВ) до -100 мВ.
При определенных физиологических условиях могут происходить изменения мембранного потенциала. Изменения его в положительном направлении называется деполяризацией плазматической мембраны. Смещение мембранного потенциала в отрицательном направлении называется гиперполяризацией.
