Инактивация натриевого (Nа) - тока.

Обновлено: 04.05.2024

Натриевые каналы широко распространены в организме. Они обеспечивают вход ионов натрия в клетку, но способы регуляции этого процесса различны. Среди натриевых каналов выделяют быстрые потенциал-зависимые натриевые каналы, потенциал-незави- симые натриевые каналы, управляемые вторичными посредниками, лиганд-зависимые натриевые каналы, механочувствительные натриевые каналы и пассивные натриевые каналы, или натриевые каналы утечки. В этом разделе мы уделим основное внимание быстрым потенциал-зависимым натриевым каналам.

Потенциал-зависимые натриевые каналы (общие представления). Эти каналы имеют устья, селективный фильтр, воротный механизм. Ворота у них двух типов: активационные (м-ворота) и инактивационные (h-ворота). В условиях покоя (в частности, при мембранном потенциале, равном -80 мВ) активационные ворота закрыты, но они «готовы» в любой момент открыться, а инактивационные ворота открыты. При снижении мембранного потенциала (например, с -80 мВ до -60 мВ) активационные ворота открываются, в результате чего интенсивность натриевого потока, входящего в клетку, возрастает. Однако спустя определенное время (например, 1—2 мс, как это наблюдается в нейроне), закрываются инактивационные ворота, т. е. происходит инактивация натриевых каналов. Следствием этого процесса является снижение (почти до нуля) входящего в клетку потока ионов натрия. Некоторое время спустя закрываются активационные ворота, открываются инактивационные ворота, и канал готов к новому циклу.

Промежуток времени, в течение которого натриевые каналы не способны пропускать через себя поток ионов натрия, получил название рефрактерного периода, или периода невозбудимости. У нейронов и скелетно-мышечных волокон он очень короткий (в пределах 1—3 мс), в клетках сердца — он длится 250—300 мс. Скорость восстановления проницаемости натриевых каналов определяет лабильность возбудимых клеток, т. е. их способность к ритмической активности. Чем выше скорость, тем выше лабильность.

Натриевые каналы играют исключительно важную роль в деятельности нейронов, нервных и скелетно-мышечных волокон, а также в деятельности миокардиоцитов и других возбудимых клеток, так как обеспечивают начальный компонент потенциала действия, т. е. его фазу деполяризации.

Количественные характеристики быстрых потенциал-зави- симых натриевых каналов. Эти каналы имеются во всех возбудимых и многих невозбудимых клетках. Число натриевых каналов, определяемое по числу молекул тетродотоксина (ТТХ, блокатор каналов), которые связываются с натриевым каналом, составляет от 1 до 50 каналов в расчете на 1 мкм 2 . При плотности 50 каналов/ мкм 2 среднее расстояние между ними составляет около 140 нм. При этом проводимость одиночного натриевого канала не превышает 10 пСм, что соответствует сопротивлению 10 11 Ом. Токи, проходящие через одиночный натриевый канал, имеют прямоугольную форму. Это говорит о высокой скорости их открытия и закрытия. Длительность пребывания каналов в открытом состоянии не превышает 1 мс. За это время через одиночный канал проходит примерно 6000 ионов натрия, а интенсивность тока составляет порядка 2 пА. С учетом того, что при возбуждении одновременно открываются несколько тысяч быстрых потенциал-зависимых натриевых каналов, суммарно возникает ток большой интенсивности, способный вызвать генерацию потенциала действия. Проводимость открытых каналов может снижаться при их фосфорилировании, которое проходит с участием протеикиназы А (ПКА) или протеикиназы С (ПКС).

Строение быстрых потенциал-зависимых натриевых каналов. Диаметр молекулы канала составляет примерно 8 нм, а диаметр просвета канала (когда он открыт) — около 0,5 нм. Молекула канала — это гликопроетин, состоящий из 1820 аминокислотных остатков. Этот белок состоит из трех субъединиц, синтез которых контролируется соответственно тремя отдельными генами. Основную роль (прохождение ионов натрия в клетку) в этом канале выполняет альфа-субъединица. Ее масса составляет 280 кДа. В состав канала также входят две небольшие субъединицы, а именно бета_: (36 кДа) и бета₂ (32 кДа). Ион-проводящая часть канала, т. е. альфа-субъединица, относительно универсальна для всех натриевых каналов во всех клетках, а наличие двух других субъединиц зависит от типа ткани. Так, в скелетной мышце экспрессируется бета_г-субъединица, а в сердце и в мозге — дополнительно экспрессируется еще бета₂-субъединица. Бета-Частица служит для модуляции воротного механизма, а бета₂- для фиксации канала, т. е. для связи с белками внеклеточного матрикса.

Альфа-субъединица представлена четырьмя трансмембранными доменами (I—IV). Каждый домен состоит примерно из 150 аминокислот, которые образуют в каждом домене 6 гидрофобных трансмембранных сегментов (SI — SIV). Один из участков домена (SIV) является постоянным в натриевых каналах разных видов. Он имеет высокую плотность заряженных аминокислотных зарядов и является сенсором потенциала. Четыре домена образуют пору, напоминающую цилиндр, через которую проходят ионы натрия. С внутренней стороны пора выстлана отрицательно заряженными аминокислотами, благодаря которым в пору не входят анионы. Роль сенсора потенциала выполняют аминокислоты (аргинин и лизин), несущие положительный заряд. Внутриклеточный сегмент полипептида между гомологичными доменами III и IV ответственен за инактивацию канала, т. е. выполняет роль инактивационных ворот. Между пятой (S5) и шестой (S6) трансмембранной спиралями в каждом из четырех доменов полипептидной цепи формируется «шпилька» (Н5), входящая в мембрану. Эта шпилька выстилает пору и обеспечивает ионную селективность в отношении дифференцировки ионов натрия и калия (натрий проходит через пору, а ионы калия нет, так как не имеют сродства к аминокислотным остаткам поры).

В настоящее время идентифицировано 9 различных генов, кодирующих альфа-субъединицу и по 1 гену, которые кодируют бета_: и бета₂-субъедницы. Поэтому Na-каналы имеют столь же большое многообразие форм, как и К-каналы. Общим свойством многих натриевых каналов является то, что они блокируются тетродоксином (ТТХ), хотя имеются ТТХ-нечувствительные каналы.

Механизм ворот быстрых потенциал-зависимых натриевых каналов. Наиболее важным и до настоящего времени окончательно не разгаданным является механизм ворот натриевых каналов. В основе его работы лежат 4 процесса:

1) активация при деполяризации;
2) инактивация при длительной деполяризации;
3) деактивация после реполяризации;
4) реактивация канала после выхода его из инактивированного состояния.

Считается, что на молекуле канала имеются 4 заряда (м-ворота), которые при деполяризации смещаются и тем самым открывают канал для ионов натрия. Эти перемещения зарядов, в том числе и перемещения при закрытии канала, регистрируются в виде так называемых «воротных токов», имеющих небольшую величину, но которую, однако, все же удается регистрировать. Таким образом, эти 4 заряда являются своеобразными сенсорами мембранного потенциала, или «датчиками электрического поля» и одновременно выполняют функцию активационных ворот. Инактивация (h-ворота) осуществляется с участием внутриклеточного белка, контактирующего с внутренней стороной мембраны. Предполагают, что этот белок на короткое время присоединяется к каналу и перекрывает вход ионов в цитозоль. Если этот белок ингибировать,

то канал становится постоянно открытым, т. е. активированным. Действительно, ингибирование этого белка осуществляют вещества, способные проходить внутрь клетки. Это — так называемые активаторы натриевых каналов. Среди них — йодат, проназа, вера- тридин, аконитин, трайянотоксин и другие вещества. Удивительно, что этот таинственный белок пока не отрыт.

Блокаторы и активаторы быстрых потенциал-зависимых натриевых каналов. Блокаторами каналов являются тетродоток- син (алкалоид рыбы фугу, Tetrodonitae, или иглобрюха), а также такие соединения как сакситоксин, неотоксин, мю-кентоксины, батрахотоксин. Блокаторами натриевых каналов является анестетики (новокаин, дикаин, лидокаин, совкаин, прокаин). Активаторами натриевых каналов являются токсины, которые изменяют зависимость воротного механизма от мембранного потенциала, или блокирующие процесс инактивации. Среди них альфа-токсин скорпиона, анемонотоксины I, II и III, бета-токсины и яды северо- и южноамериканских скорпионов. Имеются вещества (например, бревотоксин и цигуатоксин) которые индуцируют ритмическую активность, либо вызывают избыточную активность нейронов (пире- троидные инсектициды).

Разновидности быстрых потенциал-зависимых натриевых каналов. Исходя из наличия 9 генов, контролирующих синтез этих каналов, выделяют 9 разновидностей натриевых каналов. Их предложено обозначить как Navl.l — Navi.9. Внутри этой группы есть те- тродотоксин (ТТХ)-чувствительные каналы и ТТХ-нечувствительные каналы. Так, для миокарда описаны Navi.5 и Navi.8 каналы (оба они относятся к ТТХ-нечувствительным каналам). Их синтез контролирует соответственно ген SCN5A и ген SCN10A. Показано, что мутации гена SCN5A являются одной из причин синдрома Бругада (синдром внезапной смерти у детей и молодых людей), а мутации гена SCN10A — причиной нарушения проводимости по миокарду.

Ранее в литературе использовалась другая номенклатура быстрых потенциал-зависимых натриевых каналов (I-, II-, Ш-типы Na- каналов), основанная на таких критериях как локализация каналов, их проводимость и чувствительность к блокаторам. Так, 1-тип Na- каналы локализованы в соме многих нейронов ЦНС. Они блокируются сакситоксином. П-тип Na-каналы экспрессированы в аксонах и участвуют в проведении потенциала действия. Их проводимость составляет 20 pS, они открываются при деполяризации мембраны до 50—40 мВ и закрываются при ее реполяризации, т. е. при достижении мембранного потенциала 50—65 мВ. В неонатальных нейронах ЦНС экспрессированы Ш-тип Na-каналы, проводимость которых составляет 16 pS.

Потенциал-независимые натриевые каналы, управляемые вторичными посредниками. Состояние этих натриевых каналов может управляться с помощью цГМФ (фоторецепторы), цАМФ (обонятельные рецепторы) и с помощью субъединиц G-белка (миокард). Действительно, в миокарде 30 лет назад были открыты «забавные» или «чудные» (Fanny) натриевые каналы (Na_f), которые позволяли ионам натрия войти в кардиомиоцит не при деполяризации, а во время фазы гиперполяризации. Эти каналы имеют прямое отношение к пейсмекерной активности водителя ритма сердца. В последние годы установлено, что активация этих каналов связана с накоплением внутри клетки цАМФ, т. е. эти каналы управляются вторичным посредником, который, открывая каналы, разрешает ионам натрия войти в клетку во время фазы реполяризации и тем самым вызвать зарождение спонтанного ПД и сокращение. Подобный вариант натриевых каналов, вероятно, существует в нейронах и в миоцитах матки, обладающих свойством автоматии.

Лиганд-зависимые натриевые каналы. Этот тип натриевых каналов широко представлен в организме. Среди них натриевые каналы никотин-чувствительного холинорецептора постсинаптической мембраны нервно-мышечного синапса, межнейронных синапсов ЦНС и автономной нервной системы (преганглионарного и ганглионарного нейронов). Лиганд-зависимые натриевые каналы локализованы в постсинаптических мембранах других возбуждающих (глутамат- и аспартатергических) синапсов ЦНС. Они играют решающую роль в возникновении в синапсах возбуждающего постсинаптического потенциала и передаче сигналов между нейронами и между нейронами и эффекторными клетками. Их активация происходит при взаимодействии агониста с соответствующим рецептором, компонентом которого и является натриевый канал.

Механочувствительные натриевые каналы. Они представлены в механорецепторах стенок сосудов, сердца, полых внутренних органов, проприорецепторах поперечнополосатых мышц, мембране гладких миоцитов. С их участием в сенсорных рецепторах осуществляется преобразование энергии механического воздействия в колебание разности потенциалов — рецепторный потенциал.

Пассивные натриевые каналы (или натриевые каналы утечки). Эти каналы содержатся в цитоплазматических мембранах возбудимых клеток. Проницаемость этих каналов для ионов Na + небольшая, но через них ионы Na + диффундируют по градиенту концентрации из внеклеточных пространств в клетки и несколько деполяризуют мембрану. Особенно эти каналы представлены в гладких мышцах, в результате чего мембранный потенциал в этих клетках намного ниже (40—50 мВ), чем в других возбудимых клетках (80—90 мВ). Таким образом, пассивные натриевые каналы участвуют в формировании мембранного потенциала покоя в гладкомышечных клетках.

Инактивация натриевого (Nа) - тока.

Рис. 2.6. А и В Мембранные токи в миелинизированных аксонах лягушки (перехваты Ранвье; 11 13 С) после ступенчатых сдвигов мембранного потенциала. Мембранный потенциал поддерживался с помощью фиксации потенциала на уровне потенциала покоя, равного —95 мВ; в момент времени 0 мс мембранный потенциал скачком поднимали до значений, которые указаны справа около записей тока, от —60 до +60 мВ. Сопровождающие скачок потенциала кратковременные емкостные токи вычитались, поэтому регистрируемые токи являются ионными токами. При —60 мВ скачок потенциала остается подпороговым и не вызывает изменений тока. По мере увеличения скачков потенциала сначала возникают отрицательные токи, которые с увеличением потенциала становятся положительными. Б. То же, что на рис. А, но на фоне блокады калиевых токов ТЭА (6 мМ), в результате чего токи почти полностью обеспечиваются ионами Na+. Полярность Na-токов меняется с отрицательной на положительную между значениями +30 и +60 мВ; по мере увеличения деполяризации продолжительность Na - токов уменьшается. Г. То же, что на рис. В. но на фоне блокады натриевых токов тетродотоксином (0,3 мкМ), так что записи соответствуют калиевым токам. При деполяризации К+-токи нарастают медленнее, чем Na - токи, и продолжаются в течение всего периода деполяризации (по [3] с изменениями)

Из рис. 2.6, Б видно, что натриевый (Na+)-ток в нерве лягушки начинает убывать примерно через 0,5 мс, несмотря на продолжающуюся деполяризацию. У гомойо-термных животных, имеющих более высокую температуру тела, этот промежуток времени еще короче. Характерная для Na-тока инактивация становится более быстрой по мере увеличения деполяризации, так что ток раньше возвращается к нулю. Однако этот процесс не означает восстановления состояния покоя; если мембрана на короткое время реполяризуется и снова деполяризуется после полной инактивации, в ней практически невозможно снова вызвать натриевый (Na+)-ток. При таком состоянии мембраны натриевая система не может быть активирована.

Рис. 2.8. Потенциал зависимая инактивация натриевой (Na)-системы. По оси абсцисс отложены величины отклонения мембранного потенциала от потенциала покоя ( — 60 мВ). От каждого из этих исходных значений потенциала мембрану деполяризовали до —16 мВ и по оси ординат откладывали отношения возникающих максимальных натриевых (Na+) -токов (lNamax) к величине lNamax, соответствующей полной активации натриевой (Na)-системы (по [15] с изменениями)

Даже после того как на некоторое время восстановится потенциал покоя, натриевый (Na+) - ток можно активировать лишь частично. Только в случае предварительной гиперполяризации аксонной мембраны на 20-40 мВ последующая деполяризация от этого уровня потенциала способна вызвать максимальный натриевый (Na+)-ток, I(Namax) (рис. 2.8). Если мембранный потенциал на период 10 мс или дольше сместить на 20 мВ от потенциала покоя к более положительному значению, то деполяризация от этого исходного уровня приведет к возникновению только минимального натриевый (Na+)-тока. Следовательно, длительная деполяризация может предотвратить возбуждение; клетки, потенциал которых положительнее уровня от —60, до —50 мВ, утрачивают возбудимость [3, 23]. Продолжительная деполяризация может развиваться в результате метаболических нарушений, например при кислородной недостаточности, а также под влиянием фармакологических препаратов: такая деполяризация способна блокировать генерирование процесса возбуждения.

Информация на сайте подлежит консультации лечащим врачом и не заменяет очной консультации с ним.
См. подробнее в пользовательском соглашении.

Проводимость мембраны. Ионные токи во время потенциала действия.

Во время потенциала действия происходит кратковременное изменение проницаемости мембраны для ионов, определяющих величину потенциала покоя. Когда речь идет об электрических свойствах мембраны, удобной мерой проницаемости мембраны для иона служит проводимость мембраны g(ion). Проводимость определяется отношением тока I(ion) к движущему потенциалу. При равновесном потенциале для рассматриваемого иона, E(ion) , движущий потенциал и суммарный ток равны нулю; следовательно, E(ion) является референтным потенциалом, и отклонение мембранного потенциала Е от E(ion) составляет ту разность потенциалов, которая создает ток I(ion) Следовательно, проводимость g(ion) описывается уравнением

Теперь мы можем продолжить описание ионных токов во время потенциала действия, пользуясь только что введенным понятием проводимости для индивидуальных ионов.

Ионные токи во время потенциала действия.

Рис. 2.5. Временной ход потенциала действия в нейроне; показаны последовательные фазы потенциала действия, описанные в тексте

Потенциал покоя, как было показано в предыдущем разделе, очень близок к уровню равновесного потенциала для ионов калия (K), для которых мембрана в состоянии покоя наиболее проницаема. Если во время потенциала действия внутренняя среда клетки приобретает положительный заряд по отношению к внеклеточной среде, то проводимость мембраны для натрия (Na+) (gNa) должна возрастать, потому что только равновесный потенциал для натрия (Na+) имеет более положительное значение ( + 60 мВ), чем пик потенциала действия. Это заключение подтверждается экспериментальными данными, согласно которым потенциалы действия могут генерироваться только при высокой внеклеточной концентрации натрия (Na+).

При недостатке внеклеточного натрия (Na+) входящий натриевый ток не может нарастать, независимо о г того, в какой мере увеличивается gNa, и, следовательно, не может развиваться деполяризационная фаза потенциала действия. Таким образом, в основе возбуждения лежит повышение проводимости мембраны для натрия (Na+), вызываемое ее деполяризацией до порогового уровня. Однако в данном случае затрагивается также и проводимость мембраны для калия (K). Если повышение проводимости для калия (K) предотвратить некоторыми веществами, например тетраэтиламмонием, мембрана после потенциала действия реполяризуется гораздо медленнее. Это показывает, что повышение проводимости для калия (K) является важным фактором реполяризации мембраны. Итак, потенциал действия обусловлен циклическим процессом поступления натрия (Na+) в клетку и последующего выхода калия (K) из нее.

Зависимость ионных токов от мембранного потенциала

Установив природу раннего и позднего компонента тока, Ходжкин и Хаксли исследовали зависимость натриевого и калиевого токов от мембранного потенциала. Скачок потенциала на -85 мВ приводит лишь к возникновению небольшого входящего тока, как и следовало ожидать на основании свойств мембраны в состоянии покоя. Каждый из небольших деполяризационных скачков производит сначала входящий ток, а затем более продолжительный выходящий. С увеличением величины деполяризационных скачков ранний ток уменьшается, при деполяризации на +52 мВ он равен нулю, а при еще более положительных значениях деполяризации меняет знак и становится выходящим.

Потенциалзависимость ранней и поздней составляющих тока.

Максимальная амплитуда раннего тока и амплитуда уровня плато позднего тока расположены по оси ординат, а потенциал фиксации, который устанавливался скачком с уровня потенциала покоя -- по оси абсцисс. При гиперполяризующих скачках нет разделения на ранние и поздние токи; мембрана отвечает на скачок потенциала как простой резистор. Поздний ток также ведет себя как резистор, поскольку деполяризация активирует выходящий ток, однако по мере увеличения уровня деполяризации величина тока начинает значительно превосходить величину, ожидаемую на основании свойств мембраны в покое. Это объясняется активацией потенциалзависимой калиевой проводимости, пропускающей дополнительный ток. Поведение раннего тока значительно более сложно. Как уже было отмечено, он сначала возрастает, а затем убывает по мере увеличения деполяризации, становится равным нулю при потенциале +53 мВ, а затем и вовсе меняет знак. Потенциал реверсии расположен близко к равновесному потенциалу для натрия, чего и следовало ожидать для тока ионов натрия.

Интересной особенностью потенциалзависимости раннего тока является то, что в диапазоне потенциалов от --50 до +10 мВ ток растет с ростом деполяризации. Величина натриевого тока зависит от натриевой проводимости (g_Na), а также от движущей силы для ионов натрия (V_m -- Е_Nа). Можно было бы предположить, что благодаря этому ток будет уменьшаться по мере приближения мембранного потенциала к натриевому равновесному потенциалу, т. е. произойдет уменьшение движущей силы. Однако этого не происходит по причине резкого увеличения натриевой проводимости с возрастанием деполяризации, которое перевешивает эффект снижения движущей силы. Таким образом, натриевый ток I_Na = g_Na(K_m - E_Na) возрастает. Этот участок потенциалзависимости раннего тока называется «участком проводимости с отрицательным углом наклона».

Инактивация натриевого тока

Из опытов Ходжкина и Хаксли очевидно, что временной ход натриевого и калиевого токов весьма различен. Развитие калиевого тока замедлено по сравнению с натриевым, однако по достижении своего максимального уровня калиевый ток остается на нем довольно долго. Напротив, натриевый ток растет гораздо быстрее, но затем спадает до нуля, несмотря на то, что мембрана все еще деполяризована. Такой спад натриевого тока называется инактивацией.

Ходжкин и Хаксли детально изучили процесс инактивации натриевого тока. В частности, они исследовали влияние гиперполяризующих и деполяризующих пре-импульсов на пиковую амплитуду натриевого тока, возникающего в ответ на последующую деполяризацию. Мембранный потенциал скачкообразно переведен с -65 на -21 мВ, в результате чего возникает натриевый ток величиной приблизительно 1 мА/см 2 . Когда деполяризации предшествует гиперполяризация величиной --13 мВ, пиковое значение тока возрастает. Деполяризующие преимпульсы, напротив, снижают амплитуду натриевого тока. Воздействие деполяризующих и гиперполяризующих пре-импульсов зависит от времени воздействия: короткие импульсы длиной в несколько миллисекунд неэффективны. В данном эксперименте длительность пре импульсов была достаточной (30 мс) для достижения максимального эффекта.

Результаты представлены количественно в виде зависимости пикового натриевого тока от потенциала пре-импульса. Пиковый ток выражен в долях амплитуды контрольного тока. При деполяризующем пре-импульсе порядка --30 мВ натриевый ток был снижен до нуля, т. е. инактивация была полной. Гиперполяризующие пре-импульсы до -95 мВ и ниже вызвали увеличение натриевого тока на 70 %. Ходжкин и Хаксли выразили этот диапазон значений натриевого тока от нуля до максимума одним параметром (h), принимающим значение от нуля (полная инактивация) до 1 (отсутствие инактивации), как показано на правой оси ординат на рис. 6.6Е. В данных экспериментах инактивация при потенциале покоя была около 40 % максимального значения. Последующие эксперименты показали, что натриевые каналы всех нейронов демонстрируют ту или иную степень инактивации в покое.

Ионные механизмы потенциала действия

За счет чего же возникает потенциал действия, какие механизмы лежат в его основе? Приоритет в ответах на эти вопросы принадлежит двум выдающимся ученым - А. Ходжкину и Э. Хаксли, проводившим исследования в 30-40-х годах прошлого века. Их достижения в детальном объяснении столь сложных биофизических молекулярных процессов трудно переоценить. Все последующие исследования по регистрации одиночных каналов возбудимых тканей лишь дополнили сформированные ими представления о молекулярных механизмах возбуждения .

Рис. 19. Роль ионов натрия и калия в возникновении потенциала действия

Эти ученые работали на гигантском аксоне кальмара, очень удобном объекте, поскольку его диаметр более миллиметра. Крупные размеры позволяли менять внутриклеточный ионный состав аксоплазмы и вводить внутрь аксона один или несколько электродов для отведения потенциала действия и раздражения аксона. Были проведены исследования по влиянию изменений вне- и внутриклеточной концентрации ионов и природных токсинов, блокирующих различные ионные каналы, на форму потенциала действия (рис.19). Оказалось, что при снижении концентрации ионов натрия в окружающей среде потенциал действия уменьшается по амплитуде; следовательно, потенциал действия зависит от концентрации внеклеточного натрия (рис. 19А). При исследовании эффекта тетродотоксина, специфического блокатора натриевых каналов, был получен эффект, аналогичный снижению внеклеточной концентрации ионов натрия - потенциал действия уменьшался, а при высоких концентрациях токсина – не возникал (рис. 19Б). Было сделано заключение, что потенциал действия связан с открытием потенциал- активируемых натриевых каналов и поступлением ионов натрия в цитоплазму.

Далее была проверена роль ионов калия. Для этого использовали тетраэтиламмоний – вещество, специфически блокирующее калиевые каналы. Оказалось, что на амплитуду потенциала действия тетраэтиламмоний влияет слабо, а вот длительность потенциала действия резко увеличивалась (рис. 19В). Был сделан вывод, что ионы калия, выходящие из клетки через потенциал-активируемые калиевые каналы, также имеют значение в формировании потенциала действия, участвуя в фазе реполяризации.

Переворот в анализе ионных токов, участвующих в формировании потенциала действия был произведен при использовании метода фиксации потенциала на мембране, разработанном Коулом, Ходжкиным и Хаксли. Дело в том, что при изучении ионных токов, текущих через мембрану возбудимой клетки, исследователь сталкивается с очень сложной проблемой. Протекание тока через мембрану, за счет перераспределения зарядов приводит к изменению мембранного потенциала, а изменение потенциала сказывается на величине протекающих токов. Поэтому разобраться в этой системе только при регистрации мембранного потенциала очень трудно. Для регистрации токов необходимо фиксировать мембранный потенциал клетки на одном и том же уровне. Принцип метода фиксации потенциала на мембране заключается в следующем (рис. 20А). Мембранный потенциал клетки искусственно смещается до определенного уровня, а специальный усилитель обратной связи не дает мембранному потенциалу изменяться (поддерживает его на заданном

(А) Метод фиксации мембранного потенциала (подробнее в тексте). (Б) Мембранный потенциал быстро смещается с -65 до -9 мВ и поддерживается на этом уровне. При этом регистрируется сначала короткий входящий, а затем длительный выходящий токи. (В) Эффекты тетродотоксина и тетраэтиламмония на ионные токи. Видно, что поздний ток обусловлен выходящим калиевым током, а ранний – входящим натриевым.

уровне) при прохождении ионных токов через мембрану. Ток, поддерживающий мембранный потенциал на постоянном уровне, является отражением ионных токов, протекающих через мембрану.

На рис. 20 Б показан эксперимент, когда мембранный потенциал аксона кальмара искусственно сдвигается на 56 мВ и поддерживается на этом уровне. В этом случае вначале регистрируется входящий ионный ток, который затем сменяется длительным выходящим током. При использовании блокаторовионных каналов оказалось, что быстрый входящий ток блокируется тетродотоксином, а поздний ток исчезает при действии тетраэтиламмония (рис. 20В). На основе этих изящных экспериментов были сделаны следующие выводы: входящий ток переносится ионами натрия, а выходящий - ионами калия; натриевый ток быстро нарастает и быстро заканчивается, а калиевый ток – медленно нарастает и не изменяется в процессе деполяризации. Было предположено, что различная динамика этих токов связана с быстрой инактивацией натриевых каналов и отсутствием инактивации у калиевых каналов.

На основе этих экспериментов Ходжкин и Хаксли создали систему дифференциальных уравнений, которая позволила описать трансмембранные ионные токи и рассчитать их динамику во время потенциала действия. Расчеты по эмпирически полученным формулам, отражающим зависимости натриевой и калиевой проводимостей от потенциала и времени, с удивительной точностью повторили форму реального потенциала действия. На рис. 21 представлена рассчитанная динамика натриевых и калиевых ионных токов, а также мембранного потенциала при развитии потенциала действия. Видно, что фаза деполяризации потенциала действия обусловлена быстрым нарастанием натриевого тока и массивным поступлением положительно зараженных ионов натрия в цитоплазму, что сдвигает мембранный потенциал в направлении потенциала равновесия для натрия (Е_Na). Именно этим объясняется тот факт, что на пике потенциала действия происходит кратковременная смена знака потенциала на внутренней стороне мембраны (овершут). Вспомним, что при открытии потенциал-активируемых натриевых каналов вход натрия обеспечивается движущей силой для натрия (V_m-Е_Na). Однако пик потенциала действия никогда не достигает натриевого равновесного потенциала (около +50 мВ), поскольку быстро наступающая инактивация натриевых каналов прекращает поступление ионов натрия. Наступление фазы реполяризации потенциала действия обусловлена, с одной стороны, прекращением поступления ионов натрия внутрь, а с другой – более медленным нарастанием калиевого тока, выводящего положительно заряженные ионы калия из клетки. Выход калия заканчивается вместе с окончанием потенциала действия.

Рис 21. Кинетика ионных токов при формировании потенциала действия

Реконструкция потенциала действия и кинетики ионных токов, лежащих в его основе, при помощи системы дифференциальных уравнений модели Ходжкина - Хаксли. Видно, что фаза деполяризации потенциала действия формируется за счет быстроразвивающегося натриевого входящего тока, который затем быстро инактивируется. Фаза реполяризации обеспечивается медленно нарастающим калиевым выходящим током.

Мембранный потенциал при этом быстро возвращается к исходному уровню и приближается к калиевому равновесному потенциалу (Е_К). Отсюда сколько положительных зарядов с ионами натрия входит в клетку во время деполяризации, столько положительных зарядов с ионами калия выходит из клетки. Если бы инактивация натриевых каналов была единственным механизмом фазы реполяризации потенциала действия, то возврат мембранного потенциала к уровню потенциала покоя в большинстве клеток происходил бы гораздо медленнее. Следовые потенциалы, наблюдаемые иногда в конце потенциала действия, связаны с небольшими остаточными проводимостями мембраны для натрия и калия. Так, следовая деполяризация обеспечивается входом ионов натрия, а следовая гиперполяризация - выходом калия.

Естественно, вход ионов натрия и выход ионов калия во время потенциала действия приводят к изменению концентраций этих ионов в цитоплазме (концентрация ионов калия уменьшается, а ионов натрия - возрастает). Расчеты показали, что величина этих изменений зависит от размеров клетки и составляет от тысячных до десятых долей процента. В тоже время увеличение внутриклеточной концентрации ионов натрия увеличивает активность натрий-калиевого обменного насоса, так что внутриклеточные концентрации ионов быстро возвращаются к изначальному уровню.

Общая схема процессов, лежащих в основе формирования потенциала действия, представлена на рис. 22. Мы уже говорили, что натриевые и калиевые каналы, участвующие в формировании потенциала действия, являются потенциал-зависимыми, то есть вероятность открытия этих ионных каналов увеличивается с уменьшением мембранного потенциала. Однако влияние деполяризации на натриевую и калиевую проводимость при развитии потенциала действия имеет некоторые особенности. Воздействие деполяризации на натриевую проводимость носит регенеративный характер. Сначала пороговая небольшая деполяризация увеличивает количество открытых натриевых каналов, а затем положительно заряженные ионы натрия, входящие в клетку, производят дальнейшую деполяризацию мембраны, что

Рис. 22. Схема последовательности событий при возникновении потенциала действия

ведет к открытию большего количества каналов и влечет за собой вход еще большего числа ионов натрия, и так далее. Такой самоусиливающийся процесс называется положительной обратной связью (рис. 22). Потенциал-зависимость калиевых каналов, наоборот, характеризуется наличием отрицательной обратной связи. При деполяризации количество открытых калиевых каналов возрастает, и ионы калия выходят из клетки по направлению электрохимического градиента. Однако, выход калия не усиливает деполяризацию, а ведет к реполяризации и уменьшению калиевого тока (рис. 22).

С инактивацией натриевых каналов связана очень важная характеристика возбудимых тканей - рефрактерность (рис. 23). Дело в том, что, закрывшись посредством инактивации, натриевые каналы восстанавливают свою способность активироваться только через некоторое время (миллисекунда и более). Отсюда во время потенциала действия клетка теряет способность возбуждаться, то есть генерировать повторный потенциал действия на любое по силе раздражение. Эта невозбудимость клетки длится в течение всей фазы

Рис. 23. Рефрактерность

Во время потенциала действия происходит изменение возбудимости клетки. Во время фазы деполяризации и части фазы реполяризации потенциала действия возбудимая клетка теряет способность повторно генерировать потенциал действия (абсолютная рефрактерность). Позже возбудимость восстанавливается, но для возникновения повторного потенциала действия необходимо более сильное раздражение (относительная рефрактерность).

деполяризации потенциала действия, части фазы реполяризации и носит название абсолютной рефрактерности. Постепенно натриевые каналы выходят из состояния инактивации, и возбудимость нервной клетки медленно восстанавливается. Но для того, чтобы возбудить клетку в этот период, необходима большая, чем в норме сила раздражения. Этот период времени носит название относительной рефрактерности.

Читайте также: