Germis

Анімація поширення потенціалу дії

Потенціал дії (ПД) — це короткочасні амплітудні зміни мембранного потенціалу спокою (МПС), що виникають при збудженні живої клітини. По суті це електричний розряд — швидка короткочасна зміна потенціалу на невеликій ділянці мембрани збудливої клітини (нейрона або м'язового волокна), в результаті якого зовнішня поверхня цієї ділянки стає негативно зарядженою по відношенню до сусідніх ділянок мембрани, тоді як його внутрішня поверхня стає позитивно зарядженою по відношенню до сусідніх ділянок мембрани. Потенціал дії є фізичною основою нервового або м'язового імпульсу, який відіграє сигнальну (регуляторну) роль.

Загальна характеристика

Потенціали дії можуть відрізнятися за своїми параметрами в залежності від типу клітини і навіть на різних ділянках мембрани однієї і тієї ж клітини. Найхарактерніший приклад відмінностей: потенціал дії серцевого м'яза і потенціал дії більшості нейронів. Усе ж, в основі будь-якого потенціалу дії лежать такі явища:

1. 'Мембрана живої клітини поляризована' — її внутрішня поверхня заряджена негативно по відношенню до зовнішньої завдяки тому, що в розчині біля її зовнішньої поверхні знаходиться більша кількість позитивно заряджених частинок (катіонів), а біля внутрішньої поверхні — більша кількість негативно заряджених часток (аніонів).
2. 'Мембрана має вибіркову проникність' — її проникність для різних частинок (атомів або молекул) залежить від їх розмірів, електричного заряду і хімічних властивостей.
3. 'Мембрана збудливої клітини здатна швидко змінювати свою проникність' для певного виду катіонів, викликаючи перехід позитивного заряду з зовнішньої сторони на внутрішню

Перші дві властивості характерні для всіх живих клітин. Третя ж є особливістю клітин збудливих тканин і причиною, за якою їх мембрани здатні генерувати і проводити потенціали дії.

Основною математичною моделлю, що описує генерацію та передачу потенціала дії, є модель Ходжкіна-Хакслі.

Фази

Схематичне зображення потенціалу дії (вгорі). Реальний потенціал дії пірамідного нейрона гіпокампа щура (внизу)

Можна чітко виділити п'ять фаз розвитку ПД:

Наростання (деполяризація)

Виникнення потенціалу дії (ПД) пов'язане зі збільшенням проникності мембрани для іонів натрію (в 20 разів у порівнянні із проникністю для К⁺, і в 500 разів у порівнянні з вихідною проникністю Na⁺) і наступним посиленням дифузії цих іонів по концентраційному градієнту усередину клітини, що приводить до зміни (зменшення) мембранного потенціалу. Зменшення мембранного потенціалу приводить до збільшення проникності мембрани для натрію шляхом відкриття потенціал-залежних натрієвих каналів, а збільшення проникності супроводжується посиленням дифузії натрію в цитоплазму, що викликає ще більш значну деполяризацію мембрани. Завдяки наявності позитивного зворотного зв'язку деполяризація мембрани при збудженні відбувається із прискоренням і потік іонів натрію в клітину увесь час зростає. Інтенсивність же потоку іонів калію, спрямованого із клітини назовні, у перші моменти збудження залишається як і на початку. Посилений потік позитивно заряджених іонів натрію усередину клітини викликає спочатку зникнення надлишкового негативного заряду на внутрішній поверхні мембрани, а потім приводить до перезарядження мембрани. Надходження іонів натрію відбувається доти, поки внутрішня поверхня мембрани не набуде позитивного заряду, достатнього для урівноваження градієнта концентрації натрію і припинення його подальшого переходу усередину клітини. Натрієвий механізм виникнення ПД підтверджують досліди зі зміною зовнішньої і внутрішньої концентрації цього іону. Було показано, що десятикратній зміні концентрації іонів натрію у зовнішньому або внутрішньому середовищі клітини, відповідає зміна ПД на 58 мВ. При повному видаленні іонів натрію з оточуючої клітину рідини ПД не виникав. Таким чином, встановлено, що ПД виникає в результаті надлишкової, в порівнянні зі спокоєм, дифузії іонів натрію з оточуючої рідини усередину клітини. Період, протягом якого проникність мембрани для іонів натрію при відкритті натрієвих каналів зростає, є невеликим (0,5-1 мс); слідом за цим спостерігається підвищення проникності мембрани для іонів калію завдяки відкриттю потенціал-залежних калієвих каналів, й, отже, посилення дифузії цих іонів із клітини назовні.

Принцип «все або нічого»

Відповідно до закону «все-або-нічого» мембрана клітини збудливої тканини або не відповідає на стимул зовсім, або відповідає з максимально можливою для неї на даний момент силою. Дія подразника зазвичай призводить до локальної деполяризації мембрани. Це викликає відкриття натрієвих каналів, які є чутливими до змін потенціалу, а через це — збільшує натрієву провідність, що призводить до ще більшої деполяризації. Існування такого зворотного зв'язку забезпечує регенеративну (поновлювану) деполяризацію клітинної мембрани. Величина потенціалу дії залежить від сили подразника, а сам він виникає лише у тому випадку, коли деполяризація перевищує деякий певний для кожної клітини граничний рівень. Це явище отримало назву «все, або нічого». Однак, якщо деполяризація складає 50-75% від граничної величини, то в клітині може виникнути локальна відповідь, амплітуда якої є значно нижчою за амплітуду потенціалу дії. Відсутність потенціалу дії при підграничному рівні деполяризації пояснюється тим, що при цьому недостатньо збільшується натрієва проникність, щоб викликати регенеративну деполяризацію. Рівень деполяризації, який виникає при цьому, не викликає відкриття нових натрієвих каналів, тому натрієва провідність швидко зменшується, і в клітині знову встановлюється потенціал спокою.

Овершут

Деполяризація мембрани призводить до реверсії мембранного потенціалу (МП стає позитивним). У фазу овершута Na⁺-струм починає стрімко знижуватися, що пов'язано з інактивацією потенціал-залежних Na⁺-каналів (час відкритого стану — долі мілісекунди) і зникненням електрохімічного градієнта Na⁺.

Рефрактерність

Одним з наслідків зникнення градієнта Na⁺ є рефрактерність мембрани — тимчасова нездатність відповідати на подразник. Якщо подразник виникає одразу після проходження потенціалу дії, то збудливість не виникне ні при силі подразника на рівні порогу, ні при значно сильнішому подразнику. Такий стан повної незбудливості називається абсолютним рефрактерним періодом. За ним слідує відносний рефрактерний період, коли надпороговий подразник може викликати потенціал дії зі значно меншою амплітудою ніж в нормі. Потенціал дії звичної амплітуди при дії порогового подразника можна викликати лише після кількох мілісекунд після попереднього потенціалу дії. Абсолютний рефрактерний період обмежує максимальну частоту генерування потенціалів дії.

Реполяризація

Збільшення іонного потоку калію, спрямованого із клітини назовні, призводить до зменшення мембранного потенціалу, що у свою чергу обумовлює зменшення проникності мембрани для іонів натрію, що, як указувалося, є функцією мембранного потенціалу. Таким чином, другий етап характеризується тим, що потік іонів калію із клітини назовні зростає, а зустрічний потік іонів натрію зменшується. Така реполяризація мембрани триває, доки не відбудеться відновлення потенціалу спокою — реполяризація мембрани. Після цього проникність для іонів калію також падає до вихідної величини. Зовнішня поверхня мембрани за рахунок позитивно заряджених іонів калію, що вийшли в середовище, знову набуває позитивного потенціалу стосовно внутрішнього.

Слідова деполяризація і гіперполяризація

У кінцевій фазі відбувається уповільнення відновлення мембранного потенціалу спокою, і при цьому реєструються слідові реакції у вигляді слідової деполяризації й гіперполяризації, обумовлені повільним відновленням вихідної проникності для іонів К⁺.

Розповсюдження

Розповсюдження в немієлінізованому волокні

Файл:Рух ПД по мієлінізованому і немієлінізованому волокнах.ogg

Рух ПД по мієлінізованому і немієлінізованому волокнах

У немієлінізованому (без`мякотному) нервовому волокні ПД поширюється від точки до точки, позаяк збудження можна зареєструвати як таке, що поступово «біжить» по всьому волокну від місця свого виникнення. Іони натрію, що входять всередину збудженної ділянки, слугують джерелом електричного струму для виникнення ПД у прилеглих ділянках. У цьому разі імпульс виникає між деполяризованою ділянкою мембрани і її незбудженою ділянкою. Різниця потенціалів тут у багато разів вища, ніж необхідно для того, щоб деполяризація мембрани досягла граничного рівня. Швидкість поширення імпульсу в таких волокнах 0,5-2 м/с

Розповсюдження в мієлінізованому волокні

Нервові відростки більшості соматичних нервів мієлінізовані. Лише дуже незначні їх ділянки, так звані перехоплення вузла (перехоплення Ранв'є), укриті звичайною клітинною мембраною. Такі нервові волокна характеризуються тим, що на мембрані лише в перехопленнях розміщенні потенціал-залежні іонні канали. Крім того, ця оболонка підвищує електричний опір мембрани. Тому при зрушенні мембранного потенціалу струм проходить через мембрану перехоплювальної ділянки, тобто стрибками (сальтаторно) від одного перехоплення до іншого, що дозволяє збільшити швидкість проведення нервового імпульсу, яка становить від 5 до 120 м/с. При чому потенціал дії, який виник в одному з перехватів Ранв'є, викликає потенціали дії в сусідніх перехватах за рахунок виникнення електричного поля, яке викликає початкову деполяризацію в цих перехватах. Параметри електрорушійної сили поля та дистанція його ефективної дії залежать від кабельних властивостей аксона.

Типи нервових волокон, швидкість проведення імпульсу, залежно від мієлінізації

Тип	Діаметр (мкм)	Мієлінізація	Швидкість проведення (м/с)	Функціональне призначення
А alpha	12–20	сильна	70–120	Рухливі волокна соматичної НС; чутливі волокна пропріорецепторів
А beta	5–12	сильна	30–70	Чутливі волокна рецепторів шкіри
А gamma	3–16	сильна	15–30	Чутливі волокна пропріорецепторів
А delta	2–5	сильна	12–30	Чутливі волокна терморецепторів, ноцицепторів
В	1–3	слабка	3–15	Прегангліонарні волокна симпатичної НС
С	0,3–1,3	відсутня	0,5–2,3	Постгангліонарні волокна симпатичної НС; чутливі волокна терморецепторів, ноцицепторів, деяких механорецепторів

Поширення потенціалу дії між клітинами

В хімічному синапсі після того, як хвиля потенціалу дії доходить нервового закінчення, вона викликає вивільнення нейротрансмітерів з пресинаптичних пухирців в синаптичну щілину. Молекули медіатора, що вивільняються з пресинапсу, зв`язуються з рецепторами на постсинаптичній мембрані, в результаті чого в рецепторних макромолекулах відкриваються іонні канали. Іони, що починають надходити всередину постсинаптичної клітини через відкриті канали, змінюють заряд її мембрани, що призводить до часткової деполярізації мембрани і, як наслідок, провокування генерації постсинаптичною клітиною потенціалу дії.

В електричному синапсі відсутній "посередник" передачі у вигляді нейромедіатора. Натомість клітини поєднані між собою за допомогою специфічних протеїнових тунелів - конексонів, тому іонні токи, з пресинаптичної клітини можуть стимулювати постсинаптичну клітину, викликаючи зародження в ній потенціалу дії. Завдяки такій будові, потенціал дії може поширюватися в обидва боки і значно швидше ніж через хімічний синапс.

• 
  Схема процесу передачі нервового сигналу в хімічному синапсі
• 
  Схема будови електричного синапсу

Потенціал дії в різних типах клітин

Потенціал дії в м`язових тканинах

Фази серцевого потенціалу дії. Різкому зростанню ("0") відповідає вхід іонів натрію, тоді як 1 і 3 - інактивація натрієвих каналів і репоряризуюче надходження іоні калію. Плато ("2") спричинене відкриттям потенціал-залежних кальцієвих каналів.

Потенціал дії в скелетних м'язових клітинах аналогічний потенціалу дії в нейронах. Потенціал спокою в них як правило -90мВ, що менше, ніж потенціал спокою типових нейронів. Потенціал дії м`язових клітин триває приблизно 2-4 мс, абсолютний рефрактерний період становить приблизно 1-3 мс, а швидкість провідності вздовж м'язів приблизно 5 м/сек.

Потенціал дії в серцевих тканинах

Потенціал дії клітин робочого міокарду складається з фази швидкої деполяризації, початкової швидкої реполяризації, яка переходить в фазу повільної реполяризації (фаза плато), і фази швидкої кінцевої реполяризації. Фаза швидкої деполяризації зумовлена різким підвищенням проникності мембрани для іонів натрію, що викликає швидкий вхідний натрієвий струм, який при досягненні мембранного потенціала 30—40 мВ інактивується і надалі головну роль відіграють кальцієвий іонний струм. Деполяризація мембрани викликає активацію кальцієвих каналів, в результаті чого виникає додатковий деполяризуючий вхідний кальцієвий струм.

Потенціал дії в серцевій тканині відіграє важливу роль в координації скорочень серця.

Молекулярні механізми виникнення потенціалу дії

Схематичне зображення клітинної мембрани і роботи натрій-калієвого насосу

Активні властивості мембрани, що забезпечують виникнення потенціалу дії, грунтуються головним чином на поведінці потенціал-залежних натрієвих (Na⁺) і калієвих (K⁺) каналів. Початкова фаза ПД формується вхідним натрієвим струмом, пізніше відкриваються калієві канали і вихідний K⁺-струм повертає потенціал мембрани до вихідного рівня. Початкову концентрацію іонів потім відновлює натрій-калієвий насос.

По ходу ПД канали переходять зі стану в стан: у Na⁺-каналів основних стани три — закритий, відкритий і інактивований (в реальності все складніше, але цих трьох станів достатньо для опису), у K⁺ каналів два — закритий і відкритий.

Поведінка каналів, що беруть участь у формуванні ПД, описується через провідність і розраховується через коефіцієнти переносу (трансферу).

Коефіцієнти переносу були виведені Алан Ллойд Ходжкіном та Ендрю Хакслі.

Провідність для калію G_K на одиницю площі [S/cm²]

$~G_{K}=G_{Kmax}n^{4}$

$~dn/dt=\alpha _{n}(1-n)-\beta _{n}n$,

де:

$~\alpha _{n}$ - коефіцієнт трансферу з закритого у відкритий стан для K+ каналів [1/s];

$~\beta _{n}$ - коефіцієнт трансферу з відкритого в закритий стан для K+ каналів [1/s];

$~n$ - фракція К+ каналів у відкритому стані;

$~(1-n)$ - фракція К+ каналів в закритому стані

Провідність для натрія G_Na на одиницю площі [S/cm²]

розрахувати складніше, оскільки, як вже було згадано, у потенціал-залежних Na⁺ каналів, окрім закритого/відкритого станів, перехід між якими параметром $~m$, є ще інактивований/не-інактивований стани, перехід між якими описується через параметр $~h$

$~G_{Na}=G_{Na(max)}m^{3}h$

$~dm/dt=\alpha _{m}(1-m)-\beta _{m}m$,	$~dh/dt=\alpha _{h}(1-h)-\beta _{h}h$,
де:	де:
$~\alpha _{m}$ - коефіцієнт трансферу з закритого у відкритий стан для Na+ каналів [1/s];	$~\alpha _{h}$ - коефіцієнт трансферу з інактивованого в не-інактивований стан для Na+ каналів [1/s];
$~\beta _{m}$ - коефіцієнт трансферу з відкритого в закритий стан для Na+ каналів [1/s];	$~\beta _{h}$ - коефіцієнт трансферу з не-інактивованого в інактивований стан для Na+ каналів [1/s];
$~m$ - фракція Na+ каналів в відкритому стані;	$~h$ - фракція Na+ каналів в не-інактивованому стані;
$~(1-m)$ - фракція Na+ каналів в закритому стані	$~(1-h)$ - фракція Na+ каналів в інактивованому стані.

Історія

Основні положення мембранної теорії збудження сформульовані німецьким нейрофізіологом Ю.Бернштейном

У 1902 році Юліус Бернштейн висунув гіпотезу, згідно з якою клітинна мембрана пропускає всередину клітини іони К⁺, і вони накопичуються в цитоплазмі. Розрахунок величини потенціалу спокою за рівнянням Нернста для калієвого електрода задовільно збігся з виміряним потенціалом між саркоплазмою м'яза і навколишнім середовищем, який становив близько — 70 мВ. Відповідно до теорії Ю.Бернштейна, при збудженні клітини її мембрана ушкоджується, і іони К⁺ виходять з клітини по концентраційному градієнту до тих пір, поки потенціал мембрани не стає рівним нулю. Потім мембрана відновлює свою цілісність, і потенціал повертається до рівня потенціалу спокою.

Цю модель розвинули в своїй роботі 1952 року Алан Ллойд Ходжкін та Ендрю Хакслі в якій описали електричні механізми, що зумовлюють генерацію та передачу нервового сигналу в гігантському аксоні кальмара. За це автори моделі отримали Нобелівську премію в області фізіології та медицини за 1963 рік. Модель отримала назву Модель Годжкіна-Гакслі

В 2005 році Томасом Геймбургом і Анрю Д. Джексоном запропонована солітонна модель, яка базується на припущенні, що сигнал по нейронах поширюється у вигляді солітонів — стійких хвиль, що поширюються по клітинній мембрані.

Вплив деяких речовин на потенціал дії

4-Амінопиридин

Деякі речовини органічного, або синтетичного походження можуть блокувати утворення або проходження ПД:

• Батрахотоксин знайдений у деяких представників роду Листолаз. Стійко і необоротно підвищує проникність мембран для іонів Натрію.
• Понератоксин був знайдений в мурахах роду Paraponera. Блокує натрієві канали.
• Тетродотоксин знайдений в тканинах риб родини Скелезубові, з яких готують японський делікатес Фугу. Блокує натрієві канали.
• Механізм дії більшості анестетиків (Прокаїн, Лідокаїн) базується на блокуванні натрієвих каналів і відповідно на блокуванні проведенні імпульсів по чутливим нервовим волокнам.
• 4-Амінопиридин - зворотньо блокує калієві канали, що подовжує термін потенціалу дії. Може використовуватися в терапії розсіяного склерозу.
• ADWX 1 - зворотньо блокує калієві канали. В умовах досліду полегшував перебіг гострого розсіяного енцефаломієліту у щурів.

Див. також

• Мембранний потенціал спокою
• Натрій-калієвий насос
• Модель Годжкіна-Гакслі
• Солітонна модель

Інтернет-джерела

Анімація

• Action potential propagation in myelinated and unmyelinated axons at Blackwell Publishing
• Generation of AP in cardiac cells and generation of AP in neuron cells
• Resting membrane potential from Life: The Science of Biology, by WK Purves, D Sadava, GH Orians, and HC Heller, 8th edition, New York: WH Freeman, ISBN 978-0-7167-7671-0.
• Ionic motion and the Goldman voltage for arbitrary ionic concentrations at University of Arizona
• A cartoon illustrating the action potential

Статті та інші матеріали

• The Action Potential John Kinnamon, University of Denver
• Resting and Action Membrane Potentials Teaching Resources Center, UC Davis. Animated tutorials
• Open-source software to simulate neuronal and cardiac action potentials at SourceForge.net

в рамках конкурсу «WikiBioContest-2013» користувачем Germis, група: Група 1: біохімія, фізіологія, генетика, цитологія, молекулярна біологія.