Потенциал действия. 
Ионные насосы

Вторым свойством возбудимых клеток является их способность генерировать потенциал действия. Что это такое? Если возбудимую клетку раздражать с достаточной силой, например, электрическим током, то она перейдет в состояние физиологической активности: в ней возникнет ПД.

В покое клетка поляризована, так как изнутри заряжена отрицательно. ПД заключается в том, что на несколько мгновений клетка деполяризуется. Заряд внутри клетки станет таким же, как снаружи, и даже на какой-то миг внутри будет больше положительных зарядов, чем снаружи клетки, т. е.

будет наблюдаться так называемый овершут (от англ, overshoot — превышение) (рис. 8.4).

Рис. 8.4. Потенциал действия.

Для того чтобы возбудить нейрон, т. е. заставить его генерировать ПД, необходимо каким-то образом раздражать этот нейрон. В организме нейроны «общаются» электрическими импульсами, что удобно и для эксперимента. Хотя прикосновение даже тончайшего волокна к клетке — механическому рецептору — также вызовет в ней генерацию ПД.

Если подавать на клетку слабые электрические сигналы, не сильно сдвигающие 1111 к нулю (т.е. деполяризующие мембрану), то клетка не возбуждается, но если величина раздражения достигнет 20—25 мВ и 1111 сдвигается до приблизительно — 50 мВ, то мембрана клетки реагирует мгновенной деполяризацией до нуля и даже генерацией овершута (рис. 8.5).

Это явление и получило название «потенциал действия». Амплитуда ПД может значительно превышать амплитуду раздражающего сигнала, достигая 100—120 мВ. У разных возбудимых клеток ПД бывает различной длительности: в нервной клетке — 1 мс, в волокне поперечно-полосатой мышцы — 10 мс, а в волокне сердечной мышцы — 200 мс.

Восходящая фаза, т. е. фаза лавинообразной деполяризации, длится около 0,5 мс. Амплитуда овершута у различных клеток достигает 30—50 мВ. После ПД могут развиваться более длительные стадии следовой гиперполяризации или деполяризации, имеющие обычно небольшую амплитуду. Форма и амплитуда ПД стабильны в каждом конкретном нейроне и не зависят от силы запускающего стимула, развитие ПД нейрона происходит по принципу «все или ничего».

Уровень потенциала, при котором деполяризация мембраны приводит к запуску ПД, называется порогом ПД.

Рис. 8.5. Развитие потенциала действия при раздражении нейрона увеличивающимися по амплитуде электрическими стимулами.

Какие же химические и физические процессы, происходящие на мембране возбудимой клетки, могут объяснить форму, величину и длительность ПД? Бернштейн предположил, что во время возбуждения мембрана клетки становится проницаемой для всех заряженных частиц — ионов. Тогда К⁺ по градиенту концентрации так и будет проходить в клетку (как в состоянии покоя), a Na⁺ и С1~, содержание которых в межклеточной жидкости во много раз больше, чем в цитоплазме, начнут каждый по своему виду каналов поступать в клетку в больших количествах. В результате этого концентрация заряженных частиц (ионов) по обе стороны мембраны выравнивается, и разность потенциалов вне и внутри клетки на какие-то мгновения исчезнет, т. е. станет равна нулю.

Подтвердить эту гипотезу экспериментально Бернштейн не успел. Доказать, что сопротивление мембраны клетки в момент возбуждения резко снижается и благодаря этому через нее проходят ионы, смогли в 1938 г. американцы Кеи Коул и Ховард Кертис. Оригинален выбранный этими учеными объект исследования. Вместо нервной или мышечной клетки они взяли гигантскую клетку водоросли. Водоросль называется нителла, и ее клетки имеют гигантские размеры, что очень удобно для опытов. На этом объекте Коул и Кертис зарегистрировали снижение сопротивления мембраны в 200 раз в момент возбуждения. Через год опыты этих же ученых на гигантском нервном волокне кальмара подтвердили полученный ранее результат. Однако в гипотезе Бернштейна было слабое место: если бы в момент возбуждения мембрана стала проницаемой для всех ионов, то потенциал на мембране равнялся бы нулю, а в эксперименте наблюдается овершут, т. е. заряд в клетке становится равным приблизительно +40 мВ.

Откуда же берется этот «избыточный» положительный заряд в клетке в месте ее возбуждения? Па этот вопрос смогли ответить будущие Нобелевские лауреаты — англичане Алан Ходжкин и Эндрю Хаксли. Они смогли доказать, что в момент возбуждения резко повышается проницаемость мембраны клетки для ионов натрия. Так как ионов натрия гораздо больше в среде, окружающей клетку, в этот момент они устремляются внутрь и создают в клетке избыток положительных зарядов. Так и получается овершут. Но ПД длится всего 1—2 мс, затем проницаемость мембраны для ионов натрия резко падает; на некоторое время значительно возрастает проницаемость мембраны для ионов калия, которая и так была значительной. Калий выходит из клетки, в результате чего мембрана клетки реполяризуется и восстанавливается ГТП, равный -70 мВ (рис. 8.6).^[1]

Рис. 8.6. Динамика трансмембранных ионных токов при развитии потенциала действия.

ионов внутри и снаружи клетки, перенося ионы через мембрану против градиента концентрации, т. е. оттуда, где этих ионов меньше, туда, где их больше. Для нормального поддержания ПП и обеспечения ПД наиболее важным насосом является Na^b/K «АТФ-аза. Это крупная белковая молекула, встроенная в наружную мембрану клеток (рис. 8.7).

Рис. 8.7. Схема работы №⁺/К⁺-АТФ-азы по переносу ионов Na⁺ и К⁺ через мембрану Во время работы молекула-насос захватывает в цитоплазме клетки три иона Na⁺ и одну молекулу АТФ. Молекула АТФ распадается, выделяя энергию. За счет этой энергии пространственная конформация, т. е. форма молекулы-насоса, меняется, и три иона натрия выносятся из клетки в окружающее ее пространство. В это мгновение молекула-насос захватывает в межклеточной среде два иона К⁺, и конформация ее меняется таким образом, что калий вносится в цитоплазму клетки. Теперь насос готов снова захватить натрий и АТФ и г. д. В среднем одна молекула Ыа⁺/К⁺-АТФ-азы в секунду выносит из клетки 200 ионов Na⁺ и вносит 130 ионов К⁺. Если заблокировать распад АТФ, т. е. лишить клетку энергии, то работа насоса быстро прекращается, и клетка теряет свойство возбудимости. Подсчитано, что на работу насосов возбудимые клетки тратят около 10—20% всей своей энергии. Блокада работы ионных насосов очень опасна. Из целого ряда растений — наперстянки, ландыша — выделены яды, блокирующие Ка⁺/К⁺-АТФ-азу человека. Эти яды (дигитонин, сапонин) назвали сердечными гликозидами. При отравлении ими страдают в первую очередь очень интенсивно работающие клетки сердечной мышцы. Способность мышцы к сокращению снижается, сердце бьется реже, а затем останавливается. Но в малых дозах сердечные гликозиды оказываются ценными лекарствами при перевозбуждении сердца.

На самых ранних стадиях эмбрионального развития человека мембраны человеческих клеток лишены ионных насосов, и поэтому ПП близок к нулю, а генерация ПД невозможна. И только после формирования насосов возникает разница в содержании Na⁺ и К⁺ внутри и снаружи клеток, и, соответственно, возникает ПП.

• [1] внимательного читателя должен возникнуть вопрос, который оченьволновал создателей мембранной теории возбуждения. Калий, пустьпонемногу, но постоянно, выходит из клетки в состоянии покоя и, особенно, на стадии возвращения к IIII во время генерации ПД (см. рис. 8.6).Натрий входит в клетку и в состоянии покоя, но особенно — на стадиидеполяризации при генерации ПД. Это значит, что рано или поздно содержание и К+, и Na+ внутри и вне клетки станет одинаковым, ПП станет равным нулю, и клетка потеряет свойства возбудимости. Но на самом деле этого не происходит: и нейроны, и мышцы человеческого организма не теряют способности к возбуждению всю его жизнь. Оказывается, в возбудимых мембранах расположены специальные белковые молекулы — насосы. Эти насосы создают разность концентраций