Последовательность потенциала действия. Роль анионов и ионов кальция в развитии потенциала действия
На рисунке в обобщенной форме показаны последовательные события, возникающие во время и вскоре после потенциала действия. В нижней части рисунка показаны изменения проводимости мембраны для ионов натрия и калия.
В покое до начала потенциала действия проводимость мембраны для ионов калия в 50-100 раз выше, чем для ионов натрия. Это связано со значительно более высокой проницаемостью каналов утечки для ионов калия по сравнению с ионами натрия. Однако при возникновении потенциала действия натриевые каналы мгновенно активируются, и проводимость мембраны для ионов натрия возрастает до 5000 раз. Затем в течение долей миллисекунды процесс инактивации закрывает натриевые каналы. Начало развития потенциала действия также влияет на электроуправляемые калиевые каналы, при этом их более медленное открытие начинается через долю миллисекунды после открытия натриевых каналов. В конце потенциала действия возврат мембранного потенциала к отрицательному уровню заставляет калиевые каналы опять вернуться к своему исходному закрытому состоянию, но лишь после задержки длительностью в миллисекунду или более.
В средней части рисунка показано соотношение проводимости для ионов натрия и калия в каждый момент потенциала действия; выше представлен сам потенциал действия. Во время его начальной части соотношение натрий-калиевой проводимости повышается более чем в 1000 раз. Следовательно, внутрь волокна входят гораздо больше ионов натрия, чем ионов калия выходит наружу. Именно поэтому в начале генерации потенциала действия мембранный потенциал становится положительным.
Затем натриевые каналы начинают закрываться, а калиевые каналы открываются, и отношение проводимости смещается в пользу высокой калиевой проводимости и низкой натриевой проводимости. Это обеспечивает очень быстрый выход ионов калия наружу при фактически нулевом токе ионов натрия внутрь. В результате потенциал действия быстро возвращается к исходному уровню.
Изменения натриевой и калиевой проводимости в ходе потенциала действия.
На ранних стадиях развития потенциала действия натриевая проводимость возрастает в несколько тысяч раз, тогда как калиевая проводимость увеличивается лишь примерно в 30 раз на поздних стадиях потенциала действия и в течение короткого периода после его завершения.
(Эти кривые построены на основании теории Ходжкина и Хаксли, но данные, полученные на аксоне кальмара, преобразованы с учетом мембранных потенциалов крупных нервных волокон млекопитающих.)
Роль анионов и ионов кальция в развитии потенциала действия
До сих пор мы рассматривали значение лишь ионов натрия и калия в генерации потенциала действия. Следует обсудить, по крайней мере, два других типа ионов: отрицательно заряженные анионы и ионы кальция.
Непроникающие через мембрану отрицательно заряженные ионы (анионы) внутри аксона. Внутри аксона много отрицательно заряженных ионов, которые не могут проходить через мембранные каналы: анионы белковых молекул и многих органических фосфатных, а также сульфатных соединений и др. Поскольку эти ионы не могут покинуть аксон, любой недостаток положительных ионов внутри клетки приводит к избытку непроникающих через мембрану отрицательных ионов. Следовательно, анионы ответственны за отрицательный заряд внутри волокна при наличии общего дефицита положительно заряженных ионов калия и других положительных ионов.
Ионы кальция. Мембраны почти всех клеток организма имеют кальциевый насос, подобный натриевому насосу, а в некоторых клетках ионы кальция совместно с ионами натрия (или вместо них) участвуют в развитии потенциала действия. Кальциевый насос, как и натриевый, перекачивает ионы кальция изнутри клеточной мембраны наружу (или внутрь эндоплазматического ретикулума клетки), создавая градиент концентрации ионов кальция, равным примерно 10000 раз. При этом внутри клетки концентрация кальция составляет около 10-7 М по сравнению с внешней концентрацией, равной примерно 10-3 М.
Кроме того, имеются электроуправляемые кальциевые каналы. Эти каналы несколько проницаемы как для ионов натрия, так и для ионов кальция. Когда они открыты, оба иона поступают внутрь волокна, поэтому эти каналы также называют Ca2+/Na+ -каналами. Кальциевые каналы активируются медленно, на их активацию требуется примерно в 10-20 раз больше времени, чем для натриевых каналов. В связи с этим их называют медленными каналами (в противоположность натриевым каналам, называемым быстрыми каналами).
Множество кальциевых каналов представлено в сердечной и гладких мышцах. По существу, в некоторых типах гладких мышц быстрых натриевых каналов почти нет, поэтому потенциалы действия связаны практически полностью с активацией медленных кальциевых каналов.
Повышенная проницаемость натриевых каналов при недостатке ионов кальция. Концентрация ионов кальция во внеклеточной жидкости также оказывает существенное влияние на уровень потенциала, при котором происходит активация натриевых каналов. В условиях недостатка ионов кальция натриевые каналы активируются при очень небольшом повышении мембранного потенциала от нормы (сильно отрицательного уровня). Следовательно, нервное волокно становится высоковозбудимым, временами спонтанно разряжаясь повторными импульсами без раздражения. В действительности, лишь при падении концентрации ионов кальция на 50% ниже нормы в некоторых периферических нервах появляются спонтанные разряды, часто приводящие к мышечной тетании. Иногда это приводит к летальному исходу из-за тетанического сокращения дыхательных мышц.
Влияние ионов кальция на натриевые каналы, возможно, объясняется тем, что эти ионы связываются с внешней частью белковой молекулы натриевого канала. Положительные заряды ионов кальция могут менять электрическое состояние канального белка, в результате уменьшается уровень потенциала, необходимый для открытия ворот для натрия.
