Потенціал дії та його поширення

Всі живі клітини при дії різних подразників переходять в збуджений стан. При порушенні різниця потенціалів між клітиною і навколишнім середовищем змінюється, з’являється електричний імпульс, виникає потенціал дії. Загальна зміна різниці потенціалів на мембрані, що відбувається при порушенні клітин, визначає потенціал дії.

Потенціал дії – різниця потенціалів між цитоплазмою і навколишнім середовищем при збудженні.

Механізм поширення потенціалу дії по нервовому волокну розглядається в курсі нормальної фізіології. В даному курсі розглянемо деякі фізичні аспекти цього процесу, які ілюструє рис. 12.1.

Поширення імпульсу визначається зміною стану мембрани. У стані спокою (рис. 12.1, а) в результаті активного транспорту концентрація іонів К + в мембрані значно вище (в 36 разів), ніж у зовнішньому середовищі. Для іонів Na + все навпаки (концентрація іонів Na + зовні мембрани в 6 разів вище, ніж усередині). При цьому на внутрішній поверхні мембрани знаходиться негативний заряд. При збудженні відбуватиметься наступне.

1) На початку збільшується проникність мембрани для іонів Na +.

Натрієві канали відкриваються лише при порушенні. Іони Na ​​+ входять через мембрану всередину клітини, в результаті чого внутрішня поверхня мембрани змінює свій заряд з «-» на «+», тобто відбувається деполяризація мембрани (рис. 12.1, б). Натрієвий канал відкритий малий час (0,5-1 мс). Протягом цього часу відбувається зміна мембранного потенціалу від -60 до +30 мВ (генерація імпульсу величиною 90 мВ).

2) Під час генерації імпульсу натрієвий канал закривається і відкривається калієвий канал. Іони К + частково виходять назовні (залишають клітку), що призводить до відновлення негативного заряду на внутрішній стороні мембрани (рис. 12.1, в). Під час імпульсу провідність мембрани збільшується в 1000 разів. Всього за час генерації одного імпульсу через квадратний мікрон поверхні волокна проходить по 20 000 іонів натрію і калію.

3) Настає рефрактерний період. Мембрана не сприймає імпульс, а повертається в основний фізіологічний стан (рис. 12.1, г).

Таким чином, в мембрані для іонів кожного виду (насамперед для натрію і калію) є свій канал, що перебуває у відкритому чи в закритому стані в залежності від електричного потенціалу мембрани. Завдяки такому пристрою вдається забезпечити швидкі потоки іонів через мембрани і, як наслідок, швидка зміна різниці потенціалів між клітиною і навколишнім середовищем.

Іонний канал вперше описав Р. Мак-Кіннон. Канал складається з зовнішньої і внутрішньої порожнин, розділених фільтром (рис. 12.2).

Між внутрішньою порожниною і тілом клітини розташовані ворота. Фільтр влаштований хитро. Зазвичай іон калію або натрію рухається по навколишньому клітку середовищі в гідратованому вигляді: до нього приєднана “шуба” з чотирьох молекул води. Фільтр ж містить чотири атома кисню, які у випадку, наприклад, калієвого каналу розташовані на точно такій же відстані один від одного, на якому розташовані молекули води навколо іона калію. Потрапивши в фільтр, такий іон змінить шубу і навіть цього не помітить. Якщо ж іон буде іншого розміру, наприклад маленький іон натрію, то пройти йому не вдасться: водяна шуба не відчепиться і заважатиме. Що ж стосується воріт, то вони відкриваються в результаті зміни конформації білка. Саме цю зміну і відбувається у відповідь на зміну електричного потенціалу мембрани.

Посилання на основну публікацію