Мембранна теорія збудження

Поверхневий шар цитоплазми живої клітини має виборчої проникністю до іонів. Це обумовлено його молекулярною будовою. Під електронним мікроскопом встановлено, що поверхневий шар клітини складається з певним чином орієнтованих молекул білків і ліпідів. Товщина його різна у різних клітин, наприклад у еритроцитів 10-20 нм, а у м’якотних нервових волокон близько 7,5-10 нм. Поверхневий шар клітки позначається як її мембрана. Мембрана – це не анатомічне поняття, а фізіологічне. Поверхневому шару цитоплазми властиві особливі функції взаємодії з середовищем, навколишнього клітку.

На мембрані перебувають системи ферментів – каталізаторів біохімічних процесів, що відбуваються в мембрані, в цитоплазмі і у всіх внутрішніх утвореннях клітини.
Виборча проникність мембрани обумовлена тим, що в ній між молекулами є дуже вузькі проміжки діаметром в десяті частки нанометра – пори. Через ці пори проходять молекули води і гідратованих іони. Діаметр пор при порушенні інший, ніж при спокої. У нервових волокнах на мембрані розташовуються диссоційовані фосфатні і карбоксильні групи, що обумовлює її значно меншу проникність для аніонів, ніж для катіонів. Мембрана нервових волокон в спокої в 20-100 разів більш проникна для іонів калію, ніж для іонів натрію. У збудженому нервових і м’язових клітинах в 20-50 разів більше іонів калію, в 10-12 разів менше іонів натрію, і в 14-50 разів менше іонів хлору, ніж зовні, в позаклітинній рідині.

Передбачається, що в спокої пори мембрани, через які проходять іони Ка, закриті іонами Са, електростатично задерживающими вхід в клітку іонів Na. Іони Са мають істотне значення для проникності мембрани до іонів № і К. Зменшення концентрації іонів Са зовні збільшує кількість і швидкість проходження через мембрану іонів Na і К. При, відсутності зовні іонів Са спостерігається повна невозбудімості мієлінових нервових волокон. Існує «кальцієвий насос», але проникність мембрани для іона Са в два рази менше, ніж для іона Na. Потік іонів Са всередину клітини незначний, при збудженні він збільшується, а вихід іонів Са назовні не змінюється.
За відсутності роздратування існує електрична поляризація мембрани, так як між зовнішньою і внутрішньою поверхнями мембрани цитоплазми є різниця потенціалів завдяки нерівномірного розподілу іонів. Цитоплазматична мембрана в спокої проникна для катіонів та непроникна для виходу з клітки пов’язаних з ними аніонів (органічних і хлору).

Так як в цитоплазмі більшості клітин концентрація іонів К значно більше, ніж у навколишньому середовищі, то вони проходять через мембрану уздовж концентраційного градієнта на зовнішню її поверхню.

Приблизно на відстані 30 нм від поверхні клітини розташовується шар катіонів К. Так як аніони хлору не виходять через мембрану і повільно дифундують з позаклітинної рідини в цитоплазму, то вони накопичуються у внутрішній поверхні мембрани і разом з органічними аніонами електростатично утримують іони Na і К. Тому в спокої зовнішня поверхня мембрани заряджена електропозитивні, а її внутрішня поверхня – електронегативно.

При пошкодженні клітини відводиться потенціал внутрішньої поверхні мембрани, тобто електронегативний. У спокої клітинний потенціал реєструється проколюванням мембрани мікроелектродами і, отже, відведенням струму від внутрішньої її поверхні. У спокої величина клітинного потенціалу, або різниці потенціалів, зовнішньої і внутрішньої поверхонь мембрани, у різних клітин неоднакова (Ходжкин, 1951; Хакслі, 1952).

У виникненні клітинного потенціалу беруть участь і іони Na, які дифундують в цитоплазму клітини з позаклітинної рідини, де їх зміст значно більше, ніж усередині клітини. Але в спокої проникність мембрани до іонів На дуже мала. Так як у спокої порівняно велика дифузія позитивно заряджених іонів К на зовнішню поверхню клітки переважає над порівняно невеликий дифузією позитивно заряджених іонів Na всередину клітини, то зовні клітини створюється перевага позитивно заряджених іонів і різниця потенціалів між зовнішньою і внутрішньою сторонами мембрани дещо менше обчисленої за формулою Нернста. Величина клітинного потенціалу для нервових і м’язових волокон за формулою дорівнює приблизно 90 мв, а виміряна в досвіді – 60-70 мв.

Відповідно до сучасної мембранної теорії, потенціал спокою є різницею биопотенциалов між зовнішньою поверхнею мембрани і цитоплазмою при спокої клітини. Ця різниця обумовлена дифузією іонів калію, натрію і хлору. Це підтвердилося при математичних розрахунках дифузії, які майже збіглися з величиною потенціалу спокою, встановленої в експерименті на нервових волокнах.
Дифузія іонів через мембрану вивчена за допомогою радіоактивних ізотопів Na24 і К42 («мічених атомів»).

Мембранний потенціал у більшості клітин менше 100 мв. У високодиференційованих клітин клітинний потенціал більше, ніж у менш диференційованих. У нервових і м’язових клітин він більше, ніж у епітеліальних. Клітинний потенціал змінюється з віком.
Згідно класичної мембранної теорії Бернштейна (1902), передбачалося, що при подразненні клітини або при її порушенні змінюється її проникність до всіх іонам в місці подразнення або збудження. Причина збудження – розпушення поверхневої мембрани цитоплазми, яка стає прохідною і для аніонів, і тому збуджена ділянка стає електронегативним. Так як тепер катіони більше не утримуються аніонами, то вони частково втрачаються в навколишнє середовище, особливо іони калію. В результаті зникає різниця в концентрації іонів і різниця потенціалів між зовнішньою і внутрішньою поверхнями мембрани. Це припинення поляризації позначається як деполяризація. Виявилося, що при порушенні відбувається не деполяризация, а реверсія, або збочення, різниці потенціалів зовнішньої поверхні мембрани. Мембранний потенціал, зареєстрований у спокої, падає до нуля, а потім внутрішня поверхня мембрани стає електропозитивний по відношенню до зовнішньої її поверхні, яка стає електронегативної.

Ходжкин і Катц з співр. в 1939-1940 рр.., вводячи всередину клітини мікроелектроди і реєструючи при цьому клітинні потенціали, виявили, що в місці збудження виникає потенціал дії і відбувається не тільки повна деполяризація, а виникає різниця потенціалів, протилежна тій, яка була в спокої, – приблизно – 40 мв (знак мінус означає протилежний напрямок різниці потенціалів). Вольтаж потенціалу дії перевищує вольтаж клітинного потенціалу спокою. Цей «перескок» потенціалів при порушенні клітини тим більше, чим більше діаметр клітини. У невеликих клітинах, наприклад у вставних нейронах спинного мозку, він незначний або відсутній. Виявилося (Ходжкин і Катц, 1949), що перевищення потенціалу дії над клітинним потенціалом залежить від більшої концентрації іонів Na в тканинної рідини, що оточує клітину, ніж усередині клітини. При приміщенні нервових і м’язових клітин в розчини з пониженим вмістом іонів тобто при зменшенні концентрації іонів Na зовні клітини, «перескок» при порушенні зменшується, а потім зникає. Коли вміст іонів Na зовні клітини зменшується до 1/3-1/6 їх нормальної концентрації, перевищення потенціалом спокою зникає. І, навпаки, коли зміст зовні іонів Na зовні клітини збільшується і ставати надлишковим, реверсія збільшується. Цитоплазма клітини постійно виштовхує іони Na, що надходять по концентраційному градієнту всередину клітини («натрієвий насос»). У спокої, коли кількість іонів Na, що надходили в клітку і виштовхуючих в клітку і виштовхнутих з неї, зрівнюється, розподіл іонів Na зовні і всередині клітини таке ж, як при непроникності мембрани до цих іонів. Натрієвий “насос” підтримує внутрішню концентрацію Na в нервовому волокні на рівні близько 10% від його зовнішньої концентрації.

Коли виникає збудження, миттєво втрачається здатність цитоплазми виштовхувати іони Na і вони дуже швидко надходять всередину клітини вздовж концентраційного градієнта.
При порушенні жваво збільшується проникність мембрани для іонів Na, вона приблизно в 10 разів перевершує проникність для іонів К. Дифузія позитивно заряджених іонів Na всередину клітини починає значно перевищувати дифузію позитивно заряджених іонів K не зовнішню поверхню мембрани.
При збудженні і деполяризаціїмембрани іони Ca видаляються і відкривають пори, за якими іони Na проникають всередину клітини.

Стерпні іонами Na всередину клітини позитивні заряди заряджають мембрану в протилежному напрямку, не більше ніж на 50 мв. Неможливість перевищення цієї максимальної величини потенціалу дії пояснюється тим, що при кожному імпульсі збудження підвищується проникність мембрани до іонів K, які, виходячи з клітини назовні, тобто рухаючись в протилежному напрямку, не більше ніж на 50 мв. Неможливо перевищення цієї максимальної величини потенціалу дії пояснюється тим, що при кожному імпульсі збудження підвищується проникність мембрани до іонів К, які, виходячи з клітини назовні, тобто рухаючись в протилежному напрямку порівняно з іонами Na, зменшують потенціал дії, а потім відновлюють колишню величину клітинного потенціалу. Іони Na, проникаючи при порушенні всередину клітини, посилюють здатність мембрани переносити їх всередину клітини.
Отже, при порушенні кількість іонів № в цитоплазмі клітини збільшується, а кількість іонів К зменшується. Потім завдяки активності цитоплазми вихідні концентрації цих іонів відновлюються. Під час відновного періоду іони Nа виштовхуються з клітини.

Виявилося, що існує не тільки активне виштовхування з цитоплазми іонів Ma проти концентраційного градієнта («натрієвий насос»), а й активне накопичення іонів К всередині клітини («калієвий насос») проти їх концентраційного градієнта. У спокої іони Ca виштовхуються з клітини назовні в обмін на іони К або на іони Ma, що надходять зовні. Отже, обмін обома іонами через мембрану взаємопов’язаний.
При заміні цитоплазми нервових волокон кальмара розчином До виявилося, що якщо вміст іонів К в розчині було близько до внутрішньоклітинного, то відводився звичайний клітинний потенціал, але якщо вміст іонів К в розчині зменшувалася, то клітинний потенціал знижувався або навіть перекручувався. Функціонування обох «насосів» обумовлено витратою енергії обмени речовин (АТФ і креатинфосфату). АТФ розщеплюється ферментом аденозінтріфосфатаза. Передбачається, що передача збудження з рухового нерва на м’язові волокна происходи г за участю «кальцієвого насоса», також працюючого за рахунок енергії, що звільняється при розщепленні АТФ.

При подпорогових подразненнях виникає місцевий потенціал, так як перенесення іонів Ма не досягає критичного рівня, при якому цей процес посилюється мембраною. При порогових подразненнях досягається цей критичний рівень, і іони Ма, проникають у клітину, підсилюють активне перенесення мембраною іонів Ма всередину клітини.

Рефрактерность у зв’язку з інтенсивною деполяризацией залежить від того, що вже на висоті порушення припиняється активне перенесення іонів Ма всередину клітини і посилюється проникність мембрани до іонів К і їх вихід назовні, що підвищує поріг роздратування або створює повну невозбудімості.

Акомодація до поступово усиливающемуся подразнення і катодіческая депресія Вериго – результат часткового припинення активного переносу іонів На при тривалій іодпорого-вої деполяризації мембрани.

При переході від збудження до спокою посилюється вихід іонів К з цитоплазми клітини назовні, при цьому відновлюється поляризація, що позначається як реполяризация.
Спочатку реполяризация протікає швидко, а потім сповільнюється, що відповідає негативному слідової потенціалу. Одночасно знижується або втрачається проникність мембрани для дифузії іонів Ка в клітку зовні, яка позначається як інактивація (Ходжкин). При ритмічних подразненнях інактивація посилюється.

Гиперполяризация мембрани нервової клітини, або збільшення різниці потенціалів між зовнішньою і внутрішньою поверхнями мембрани, при дії гальмуючих синапсів залежить від виборчого підвищення проникності мембрани до іонів К і Сl, які мають значно менший діаметр гідратної оболонки, ніж іони Na. При дії медіатора іони К починають в більшій кількості проходити через мембрану на поверхню клітини, а іони Сl – більше дифундувати всередину клітин, що збільшує електропозитивний заряд мембрани.

Посилання на основну публікацію