Механизм возникновения потенциала действия.

 

Сдвиги в величине МП при возбуждении связаны с изменениями ионной проницаемости.

Если в состоянии покоя проницаемость мембраны для ионов К+ выше, чем для ионов Nа+, то при действии раздражителя проницаемость для ионов Nа+ повышается и, в конечном итоге, становится в 20 раз выше проницаемости для ионов К+. В результате превышения потока ионов Na+ из внешнего раствора в цитоплазму, по сравнению с направленным наружу калиевым током, происходит перезарядка мембраны.

Повышение проницаемости мембраны для ионов Na+ продолжается лишь очень короткое время, а затем она падает, а для ионов K+ проницаемость возрастает. Понижение натриевой проницаемости называют натриевой инактивацией . Возрастающий поток ионов K+ из цитоплазмы и натриевая инактивация приводят к реполяризации мембраны (фаза реполяризации) (Рис.4).

 

 

Рис. 4. Временной ход изменений натриевой (gNa) и калиевой (gk) проницаемости мембраны гигант­ского аксона кальмара во время генерации потен­циала действия (V).

 

Следует отметить, что в генезе восходящей фазы ПД у ракообразных и гладких мышцах позвоночных ведущую роль играют ионы Ca++. В клетках миокарда начальный подъем потенциала действия связан с повышением проницаемости мембраны для Na+, а плато ПД обусловлено повышением проницаемости для ионов Ca++ (Рис.5)

 

 

 

Рис.5. Потенциал действия мышечного волокна миокарда собаки

 

Ионные каналы.

 

Изменение проницаемости клеточной мембраны для ионов Nа+ и K+ при возбуждении связано с активацией и инактивацией Na – и K – каналов, обладающих двумя важными свойствами:

1. Избирательной проницаемостью (селективностью) по отношению к определенным ионам;

2. Электроуправляемостью, т.е. зависимостью от электрического поля мембраны.

Процесс открывания и закрывания каналов носит вероятностный характер. Изменение мембранного потенциала лишь определяет среднее число открытых каналов. Ионные каналы образованы макромолекулами белков, пронизывающими липидный бислой мембраны.

Данные же о функциональной организации каналов строятся на исследованиях электрических явлений в мембранах и влияния на каналы различных химических агентов, как токсины, ферменты, лекарственные вещества.

. Селективность электровозбудимых ионных каналов нервных и мышечных клеток по отношению к ионам натрия, калия, кальция, хлора не абсолютная: название канала, например, натриевый, указывает лишь на ион, для которого данный канал наиболее проницаем.

Для количественной оценки зависимости ионных проводимостей от величины генерируемого потенциала применяется " метод фиксации потенциала". Сущность метода заключается в насильственном поддержании мембранного потенциала на любом заданном уровне. С этой целью на мембрану подается ток равный по величине, но обратный по знаку ионному току и, измеряя этот ток при различных потенциалах можно проследить зависимость потенциала от ионных проводимостей мембраны. При этом используются специфические блокаторы тех или иных каналов с целью выделить необходимый компонент из общего ионного тока.

На рис.6 показаны изменения натриевой (gNa) и калиевой (gK) проницаемости мембраны нервного волокна во время фиксированной деполяризации.

 

Рис. 6. Изменение при фиксированной деполяризации

 

 

Установлено, что деполяризация связана с быстрым увеличением натриевой проводимости (gNa), которая за доли миллисекунд достигает максимума, а затем медленно снижается. Снижение и прекращение натриевого тока происходит на фоне еще не завершившегося ПД.

После окончания деполяризации способность натриевых каналов вновь открываться восстанавливается постепенно в течение десятков мсек.

Увеличение проницаемости клеточной мембораны для Na+ и K+определяется состоянием воротного мехнизма селективных, электроуправляемых каналов. В некоторых клетках, в частности в кардиомиоцитах, в волокнах гладкой мышцы важную роль в возникновении ПД играют управляемые каналы для Са ++. Воротный механизм Na – каналов расположен на внешней и внутренней сторонах клеточной мембраны, воротный механизм K – каналов на внутренней (К+ движется из клетки наружу).

Каналы для Na+ имеет наружное и внутреннее расширение (" устья" ) и короткий суженный участок (селективный фильтр) для отбора катионов по их размеру и свойствам. В области внутреннего конца натриевый канал снабжен двумя типами " ворот" - быстрыми активационными (m – " ворота" ) и медленными инактивационными (h – " ворота" ).

(Рис.7).

Рис. 7. Схематическое изображение электровозбудимого натриевого канала.

Канал (1) образован макромолекулой белка 2), суженная часть которого соответствует «селективному фильтру». В канале имеются активационные (гп) и инакгивационные (h) «ворота», которые управляются электрическим полем мембраны. При потенциале покоя (а) наиболее вероятным является положение «закры­то» для активационных ворот и положение «открыто» для инактивационных. Деполяризация мембраны (б) приводит к быстрому открыванию гп-«ворот» и медленному закрыванию п-«ворот», поэтому в начальный момент деполяризации обе пары «ворот» оказываются открытыми и через канал могут двигаться ионы в соот­ветствии с их концентрационными и электрическими градиентами. При продолжающейся деполяризации (it) ииактивацмонные «ворота» закрываются и капач переходит в состояние инактивации.

 

В условиях покоя активационные m – ворота закрыты, инактивационные h – ворота преимущественно (около 80%) открыты; закрыты также калиевые активационные ворота, инактивационных ворот для К+ нет.

Когда деполяризация клетки достигает критической величины (Екр, критический уровень деполяризации – КУД), которая обычно составляет –50 мВ проницаемость мембраны для Na+ резко возрастает: открывается большое число потенциалзависимых m– ворот Na – каналов и Na+ лавиной устремляется в клетку. Через один открытый натриевый канал за 1 мс проходит до 6000 ионов. В результате интенсивного тока Na+ внутрь клетки деполяризация 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.

Во вторую фазу ПД (фаза инверсии) происходит перезарядка мембраны: заряд внутри клетки становится положительным, снаружи – отрицательным. Активационные m – ворота Na+ - каналов еще открыты и некоторое время (доли миллисекунды) Na+ продолжает входить в клетку, о чем свидетельствует продолжающееся нарастание ПД. Прекращение роста ПД происходит в результате закрытия натриевых инактивационных h – ворот и открытия ворот К – каналов, т.е. вследствие увеличения проницаемости для K+ и резкого возрастания выхода его из клетки.

Рис. 8 Состояние натриевых и калиевых ка­налов в различные фазы потенциалов дей­ствия (схема) Объяснение в тексте.

 

Рис.8.Состояние натриевого канала в различные фазы потенциала действия.

а) в состоянии покоя активационные m – " ворота" закрыты, инактивационные h- " ворота" открыты.

б) деполяризация мембраны сопровождается быстрым открыванием активационных " ворот" и медленным закрыванием инактивационных " ворот".

в) при продолжительной деполяризации инактивационные каналы закрываются (состояние инактивации).

г) после окончания деполяризации h -" ворота" медленно открываются, а m – " ворота" быстро закрываются, канал возвращается в исходное состояние.

 

 

Начальный подьем gNа связан с открыванием m – " ворот" (процесс активации), последующее падение gNа во время продолжающейся деполяризации мембраны - с закрыванием

h – " ворот" (процесс инактивации).

Таким образом, восходящая фаза ПД связана с повышением натриевой проницаемости, которая, в свою очередь, увеличивает начальную деполяризацию. Это сопровождается открыванием новых натриевых каналов, и повышением gNa. Нарастающая при этом деполяризация, в свою очередь, обуславливает дальнейшее повышение gNa. Схематически это может быть представлено следующей следующим образом:

 

Раздражитель Деполяризация мемабраны

 

 

Входящий Повышение

натриевый ток натриевой проницаемости.

 

Такой круговой процесс получил название регенеративной (т.е. самообновляющейся) деполяризации.

Теоретически регенеративная деполяризация должна была бы завершиться повышением внутреннего потенциала клетки до величины равновесного потенциала для ионов Na+. Однако, пик потенциала действия (овершут) никогда не достигает величины ENa, поскольку под влиянием деполяризации начинается медленная активация калиевых каналов и рост gK, приводящий к реполяризации и даже временной следовой гиперполяризации.

Под влиянием реполяризации происходит медленное устранение натриевой инактивации, открываются инактивационные ворота и натриевые каналы возвращаются в исходное состояние.

Специфическим блокатором натриевых каналов является тетродотоксин - яд рыбы – собаки (иглобрюха). Используя радиактивный тетродотоксин, подсчитали плотность натриевых каналов в мембране. У различных клеток она варьирует от десятков до десятков тысяч натриевых каналов на квадратный микрон мембраны.

Селективность калиевых каналов выше селективности натриевых: они практически не проницаемы для Na+. Диаметр их селективного фильтра около 0, 3нм. Активация калиевых каналов характеризуется более медленной кинетикой, чем активация натриевых каналов. Блокаторами калиевых каналов являются органический катион - тетраэтиламмоний и аминопиридины.

Блокаторами кальциевых каналов, характеризующихся также медленной кинетикой процессов активации, являются некоторые органические соединения, как верапамил, нифедипин. Они используются в клинической практике для подавления повышенной электрической активности гладких мышц.

Во время импульсной активности через каждый квадратный микрон мембраны гигантского аксона кальмара в протоплазму поступает 20 000 ионов Nа+ и столько же ионов K+ покидает волокно.

При возбуждении и повышении внутриклеточной концентрации ионов Na+ активируется Na-, K - насос. Благодаря работе насоса, нарушенное при возбуждении неравенство ионных концентраций полностью восстанавливается. Скорость выведения Nа+ из цитоплазмы активным ионным транспортом относительно мала, в 200 раз ниже скорости движения этих ионов через мембрану по концентрационному градиенту.

⇐ Предыдущая45678910111213Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. V. Механизм, преобразующий крутящий момент, передающийся от двигателя через сцепление, по величине и направлению, позволяет отключать двигатель от ведущих мостов на длительное время.
2. А. Н. Леонтьев, А. В. Запорожец, В. П. Зинченко Формирование перцептивных механизмов и предметных образов на основе внешних ориентировочно-исследовательских операций и действий субъекта
3. Автоматическая система сепарирования Алькап. Назначение, принцип действия.
4. Анализ использования строительных машин и механизмов
5. Анализ причин, механизмов и профилактика спортивных травм в различных видах спорта
6. Анализ финансового потенциала предприятия
7. Анализ экономического потенциала предприятия: доходов, расходов, финансовых результатов
8. Безопасность и опасность: свойства и условия возникновения. Этапы защиты от опасностей.
9. БЮРОКРАТИЗМ И КОРРУПЦИЯ В ГОСУДАРСТВЕННОМ МЕХАНИЗМЕ.
10. Бюрократия и бюрократизм в механизме государства
11. Бюрократия и бюрократизм в механизме государства
12. В каких станках применяется кривошипно-кулисный механизм?