Membranski akcijski potencijal svoje faze. Akcioni potencijal, definicije, AP kriva. PD faze, jonski mehanizmi njihovog nastanka

IN nervnih vlakana Signali se prenose pomoću akcionih potencijala, koji su brze promjene membranskog potencijala koje se brzo propagiraju duž membrane nervnih vlakana. Svaki akcijski potencijal počinje brzim pomakom potencijala mirovanja sa normalne negativne vrijednosti na pozitivnu vrijednost, a zatim se gotovo jednako brzo vraća na negativan potencijal. Kada se provodi nervni signal, akcioni potencijal se kreće duž nervnog vlakna dok se ne završi.

Na slici su prikazane promjene nastaju na membrani tokom akcionog potencijala, s prijenosom pozitivnih naboja u unutrašnjost vlakna na početku i povratkom pozitivnih naboja prema van na kraju. Donji dio slike grafički prikazuje uzastopne promjene membranskog potencijala tokom nekoliko 1/10000 sec, ilustrujući eksplozivan početak akcionog potencijala i skoro jednako brz oporavak.

faza mirovanja. Ova faza je predstavljena membranskim potencijalom mirovanja, koji prethodi akcionom potencijalu. Membrana je tokom ove faze polarizirana zbog prisustva negativnog membranskog potencijala od -90 mV.

Faza depolarizacije. U ovom trenutku, membrana odjednom postaje visoko propusna za jone natrija, što dozvoljava ogroman broj pozitivno nabijeni joni natrijuma difundiraju u akson. Normalno polarizovano stanje od -90 mV se odmah neutrališe dolaznim pozitivno naelektrisanim jonima natrijuma, što dovodi do brzog porasta potencijala u pozitivnom smeru. Ovaj proces se naziva depolarizacija.U velikim nervnim vlaknima, značajan višak iznutra pozitivnih jona natrijuma obično uzrokuje da membranski potencijal “skoči” preko nulte razine, postajući blago pozitivan. U nekim manjim vlaknima, kao u većini neurona centralnog nervni sistem, potencijal dostiže nulti nivo bez da ga "preskoči".

Faza repolarizacije. Unutar nekoliko djelića milisekundi nakon naglog povećanja propusnosti membrane za natrijeve ione, natrijumski kanali počinju da se zatvaraju, a kalijevi kanali otvaraju. Kao rezultat toga, brza difuzija kalijevih jona prema van vraća normalni negativni potencijal membrane mirovanja. Ovaj proces se naziva repolarizacija membrane.

Za bolje razumijevanje faktori, koji su uzrok depolarizacije i repolarizacije, potrebno je proučiti karakteristike još dva tipa transportnih kanala u membrani nervnih vlakana: električno kontrolisanih natrijumovih i kalijumovih kanala.

Električni natrijum i kalijum kanali. Neophodan učesnik u procesima depolarizacije i repolarizacije tokom razvoja akcionog potencijala u membrani nervnih vlakana je električno kontrolisan natrijum kanal. Kalijumski kanal sa električnim zatvaranjem takođe igra važnu ulogu u povećanju brzine repolarizacije membrane. Obe vrste električno kontrolisanih kanala postoje pored Na + /K + -pumpe i K + /Na + -curenja kanala.

Električni natrijumski kanal. Na vrhu slike, električno kontrolirani natrijumski kanal je prikazan u tri različita stanja. Ovaj kanal ima dvije kapije: jednu blizu vanjskog dijela kanala, koja se naziva aktivaciona kapija, drugu - blizu unutrašnjeg dijela kanala, koja se naziva inaktivacijska kapija. Gornja lijeva strana slike prikazuje stanje mirovanja ove kapije kada je membranski potencijal mirovanja -90 mV. U ovim uslovima, aktivaciona vrata su zatvorena i sprečavaju ulazak jona natrijuma u vlakno.

aktivacija natrijumskih kanala. Kada se potencijal membrane mirovanja pomjeri u smjeru manje negativnih vrijednosti, dižući se od -90 mV prema nuli, na određenom nivou (obično između -70 i -50 mV) dolazi do iznenadne konformacijske promjene aktivacijske kapije, kao rezultat , prelaze u potpuno otvoreno stanje. Ovo stanje se naziva aktivirano stanje kanala, u kojem joni natrijuma mogu slobodno ući kroz njega u vlakno; dok se natrijum propusnost membrane povećava u rasponu od 500 do 5000 puta.

Inaktivacija natrijumovih kanala. Gornja desna strana slike prikazuje treće stanje natrijumovog kanala. Povećanje potencijala koje otvara kapiju za aktivaciju zatvara kapiju za inaktivaciju. Međutim, kapija za inaktivaciju se zatvara u roku od nekoliko desetinki milisekundi nakon što se otvori za aktivaciju. To znači da je konformaciona promjena koja dovodi do zatvaranja inaktivacijske kapije sporiji proces od konformacijske promjene koja otvara aktivacionu kapiju. Kao rezultat, nekoliko desetinki milisekundi nakon otvaranja natrijumovog kanala, inaktivaciona kapija se zatvara i joni natrijuma više ne mogu da prodru u vlakno. Od ovog trenutka membranski potencijal počinje da se vraća na nivo mirovanja, tj. počinje proces repolarizacije.

Postoji još jedna važna karakteristika proces inaktivacije natrijumovih kanala: Inaktivaciona kapija se ne otvara ponovo sve dok se membranski potencijal ne vrati na vrijednost jednaku ili blizu razine izvornog potencijala mirovanja. U tom smislu, ponovno otvaranje natrijumskih kanala obično je nemoguće bez prethodne repolarizacije nervnog vlakna.

Povratak na naslov odjeljka "

Oblik akcionog potencijala nam omogućava da podijelimo proces njegovog stvaranja u nekoliko faza: prespike, brza depolarizacija, repolarizacija i potencijali u tragovima (slika 2.3).

Rice. 2.3.

Prespike - ovo je proces spore depolarizacije membrane, koji počinje prvim odstupanjem od potencijala mirovanja i završava se postizanjem ARC-a. Prespike uključuje pasivnu depolarizaciju membrane i aktivni lokalni odgovor. Aktivni odgovor nastaje kada pasivna depolarizacija membrane dostigne 70-80% vrijednosti FCA i prva je manifestacija početnog aktivnog stanja membrane - početak njene ekscitacije. Zbog pasivne depolarizacije i lokalnog aktivnog odgovora, pomak potencijala preko membrane doseže kritičnom nivou depolarizacija, u kojoj se razvija sama PD.

Faza brzo(lavina) depolarizacija membrana je prva faza PD. U ovoj fazi, membranski potencijal se brzo pomiče sa kritičnog nivoa depolarizacije na nulu i nastavlja da se pomera do G1D vrha, dopunjavajući membranu. Tokom prve faze PD potencijal na membrani je „pervertan“, tj. membrana je ispražnjena do nule i napunjena sa suprotan znak. Poziva se dio PD sa vrijednostima od nule do vrha punjenja preskočiti(engleski, prekoračiti) potencijal. Umjesto negativnih vrijednosti, potencijal preko membrane postaje pozitivan. U aksonu divovske lignje, AP pik dostiže vrijednosti reda od +50 mV, a faza depolarizacije sa prekoračenjem traje oko 0,5 ms.

Faza repolarizacija je druga faza PD. Tokom ove faze, vrijednost potencijala preko membrane se vraća na prvobitnu vrijednost, tj. potencijalu odmora. Ova faza se može podijeliti na brzu repolarizaciju od +50 mV do 0 V i sporiju repolarizaciju od 0 V do ARC i dalje do potencijala mirovanja. Faza repolarizacije traje 1-2 ms.

potencijali u tragovima može se u nekim slučajevima razviti na kraju AP u obliku spore depolarizacije ili čak spore hiperpolarizacije. Uočava se hiperpolarizacija u tragovima, posebno na membrani divovskog aksona lignje.

Jonska priroda faza akcionog potencijala je proučavan u eksperimentima na aksonima divovskih lignji od strane Hodgkina i Huxleya. Ispostavilo se da je u vrijeme generiranja PD električni otpor aksonska membrana za period od 1-2 ms se smanjuje za 20-30 puta, g.u. provodljivost membrane se naglo povećava, a struja počinje teći kroz membranu. Ali kakva je ovo struja? Ispostavilo se da ako se Na + kationi uklone iz vanjske otopine i zamijene saharozom, tada se amplituda akcionog potencijala naglo smanjuje ili AP uopće ne dolazi. To je omogućilo da se to zaključi glavni razlog Generisanje AP i ponovno punjenje membrane na pozitivne vrijednosti je pojava visoke permeabilnosti membrane za katione natrija i brzi ulazak ovih kationa u ćeliju.

Kretanje natrijuma prema unutra se događa pod djelovanjem dvije sile. Prva sila je povezana s prisustvom transmembranskog gradijenta koncentracije natrijevih kationa. Koncentracija natrijuma u vanjskom rastvoru je 20-30 puta veća nego unutra, tj. gradijent koncentracije za Na+ je usmjeren unutar ćelije, a ako postoji dovoljna permeabilnost, kationi natrija će brzo ući u ćeliju. Druga sila je povezana sa prisustvom velikog negativnog naboja na unutrašnjoj strani membrane (reda -70 mV). Negativni naboj na unutarnjoj strani membrane će olakšati ulazak pozitivno nabijenih katjona natrijuma u ćeliju. Ulazeći, natrijum kationi će prvo brzo smanjiti negativni naboj membrane na nulu, a zatim će ponovo napuniti membranu do pozitivnih vrednosti, približavajući vrednost membranskog potencijala ravnotežnom potencijalu za Na+. Podsjetimo da se ravnotežni potencijal za Na" katione može izračunati pomoću Nernstove jednadžbe i iznosi +55 mV za džinovski akson lignje.

Rezultati eksperimenata sa tetrodotoksinom, blokatorom voltanski zavisne natrijumske permeabilnosti, svedoče u prilog učešću dolazne natrijumove struje u stvaranju faze depolarizacije AP. Tetrodotoksin je u stanju u potpunosti blokirati razvoj G1D (slika 2.4, A).

Rice. 2.4. Promjene u AP koje nastaju kada na membranu djeluju selektivni blokatori permeabilnosti natrijuma - tetrodotoksin (I) ili kalijum permeabilnost - tetraegilamonijum (b)

Dakle, hipoteza o natrijumu na zadovoljavajući način objašnjava razvoj faze depolarizacije AP, ali ostavlja otvorenim pitanje uzroka rsiolarizacije; AP faza, koja dovodi do povratka membranskog potencijala na nivo potencijala mirovanja. Predloženo je da se na membrani razvija još jedan proces - povećava se njena propusnost za jone kalija. Bilo je jasno da se radi o posebnoj aktivnoj propusnosti kalijuma, različitoj od pasivne propusnosti kalijuma koja postoji u membrani u mirovanju (pasivno curenje kalijuma). Dodatna kalijum propusnost membrane javlja se samo kao odgovor na depolarizaciju membrane do kritičnog nivoa, i to sa blagim zakašnjenjem u odnosu na povećanje permeabilnosti natrijuma. U slučaju takve dodatne aktivne permeabilnosti za kalij, K* kationi počinju napuštati ćeliju pod djelovanjem gradijenta koncentracije i naboja na membrani stvorenog naprednim ulaskom kationa natrijuma. Dolazeći Na + kationi naelektrišu unutrašnju stranu membrane pozitivno, a vanjsku negativno. Dodatna izlazna struja kalijevih katjona će smanjiti pozitivni naboj koji stvara struja natrija unutar ćelije i vratiti električni naboj na membrani na prvobitne vrijednosti, tj. potencijalu odmora.

U prilog učešća izlazne kalijeve struje u stvaranju faze repolarizacije AP, svedoče rezultati eksperimenata sa aktivnim blokatorom kalijum permeabilnosti tetraetilamonijumom. Tetraetilamonijum naglo usporava tok faze repolarizacije PD (slika 2.4, b).

Ako je AP rezultat pojave i razvoja dvije nove jonske struje na membrani, koje nisu bile prisutne u mirovanju, odnosno struje natrijuma i kalija, onda se, posljedično, na membrani tokom depolarizacije otvaraju novi naponsko aktivirani jonski kanali. . Ovi kanali provode prvo natrijum, a zatim kalijum. Svojstva takvih kanala mogu se razumjeti analizom razvoja struja koje nastaju tokom njihovog rada. Ali ove struje moraju biti registrovane "u čista forma“, tj. nije komplikovano istovremenim promjenama potencijala na membrani i kapacitivnih struja membrane. Da bi to učinili, Hodgkin i Huxley su u svojim eksperimentima na divovskim aksonima lignje prvi koristili metodu fiksiranja potencijala na membrani (eng. naponska stezaljka).

Metoda stezanja potencijala na membrani sastoji se u povezivanju dva pojačala na aksonsku membranu sistema. Jedno pojačalo je dizajnirano da registruje pomake membranskog potencijala, drugo radi na principu negativnog povratne informacije. Dvije žičane mikroelektrode su umetnute u akson. Jedan od njih mjeri pomake membranskog potencijala i dovodi ih u pojačavač negativne povratne sprege. Ovo pojačalo (praćenje pomaka potencijala na membrani i stvaranje struja) je na izlazu spojeno na drugu intracelularnu mikroelektrodu - struju. Kroz ovu mikroelektrodu će se dovoditi struja, koja se može mjeriti u vanjskom kolu indiferentne elektrode koja se nalazi izvan aksona.

Ako sada umjetno depolariziramo membranu na FCA, tada kao odgovor, kroz pobuđenu membranu počinju teći struje aktivirane potencijalom: natrij i kalij. Pomake membranskog potencijala koje stvaraju ove struje trenutno prati pojačavač povratne sprege koji šalje struje jednake amplitude, ali suprotno usmjerene kroz strujnu mikroelektrodu - dolazi do povratne sprege. Takve "struje fiksiranja" drže (fiksiraju) membranu od potencijalnih pomaka i u suštini su zrcalna refleksija Na + - i K + -struja. Struje stezanja mogu se lako izmjeriti u vanjskom kolu kola (slika 2.5).

Rice. 2.5.

(naponska stezaljka):

uz pomoć povratnog pojačala, strujna elektroda propušta struju stezanja, koja je zrcalni odraz transmembranskih struja

Na sl. 2.6 prikazuje podatke dobijene metodom fiksiranja potencijala. Kada se membrana depolarizira od -65 do -9 mV, membrana se pobuđuje, što je praćeno stvaranjem dvofazne struje. Može se vidjeti da se najprije pojavljuje brza dolazna struja, koja se raspada i zamjenjuje je odlazećom strujom koja se sporije razvija. Pokazalo se da se dolazna struja može potpuno blokirati korištenjem tetrodotoksina, selektivnog blokatora natrijevih kanala zavisnih od napona. Iz toga slijedi da je ulazna struja natrijeva struja.

Odlazeća struja, koja je također nastala kao odgovor na depolarizaciju, sačuvana je i otkrivena u svom čistom obliku. Ova struja se razvija sa malim zakašnjenjem, raste sporije, ali ne blijedi i opstaje tijekom cijelog vremena depolarizacije. Potpuno je blokiran tetraetilamonijumom, blokatorom kalijevih kanala koji se aktivira naponom, i stoga je potencijalno aktivirana K + struja. Tako je metodom fiksacije potencijala i upotrebom selektivnih blokatora natrijevih i kalijevih struja bilo moguće izdvojiti i posebno identificirati dvije struje koje se javljaju tokom generiranja AP, pokazati njihovu neovisnost jedna od druge i analizirati svaku od njih.

Rice. 2.6.

A - pomak membranskog potencijala za 56 mV i njegova fiksacija na nivou od -9 mV;

6 - dvofazna (rano dolazna i kasno odlazna) struja kao odgovor na fiksiranje potencijala na -9 mV; V- farmakološko razdvajanje dvije struje korištenjem blokatora natrijuma (tetrodotoksin) i kalijuma (tetraetilamonijum)

Akcioni potencijal (AP) je elektrofiziološki proces, izražen u brzoj fluktuaciji membranskog potencijala mirovanja zbog kretanja jona u ćeliju i van nje i sposoban da se širi bez smanjenja (bez slabljenja). PD obezbeđuje prenos signala između nervnih ćelija, između nervnih centara i radna tijela; u mišićima, AP obezbeđuje proces elektromehaničkog spajanja. Grafička slika PD je prikazan na Sl.1.

Rice. 1.

a - akcioni potencijal, njegove faze: 1 - depolarizacija; 2 -- inverzija (prekoračivanje); 3 - repolarizacija; b - natrijumska kapija (h-1 - u mirovanju ćelije, h-2 - uzlazni, h-3 - silazni deo AP); c - kalijumova kapija (1 u stanju mirovanja ćelije, 2 - u stanju ekscitacije). Znakovi plus (+) i minus (--) odražavaju naelektrisanje unutar i izvan ćelije u različitim AP fazama.

Karakteristike PD. Vrijednost PD kreće se od 80-130 mV; trajanje vršne PD nervnog vlakna je 0,5--1 ms, vlakna skeletni mišić- do 10 ms (uzimajući u obzir usporavanje depolarizacije na njenom kraju), trajanje AP srčanog mišića je 300--400 ms. Amplituda AP ne zavisi od jačine stimulacije, ona je uvek maksimalna za datu ćeliju pod određenim uslovima: AP poštuje zakon sve ili ništa, ali ne poštuje zakon odnosa sila, tj. sila. Uz malu stimulaciju ćelije, AP se ili uopšte ne javlja, ili dostiže maksimalnu vrednost ako je stimulacija praga ili nadpraga. Treba napomenuti da slaba (pod praga) iritacija može izazvati lokalni potencijal. Pokorava se zakonu sile: sa povećanjem snage stimulusa, povećava se i njegova veličina.

U sastavu AP razlikuju se tri faze: 1) depolarizacija, tj. nestanak naboja ćelije (smanjenje membranskog potencijala na nulu); 2) inverzija, tj. promjena naboja ćelije na obrnuto, kada je unutrašnja strana ćelijske membrane nabijena pozitivno, a vanjska negativno; 3) repolarizacija, odnosno obnavljanje početnog naboja ćelije, kada naelektrisanje unutar ćelije ponovo postaje negativno, a spolja pozitivno.

Mehanizam nastanka PD. Ako djelovanje stimulusa na ćelijsku membranu dovodi do početka razvoja AP, tada sam proces razvoja AP uzrokuje fazne promjene permeabilnosti. stanične membrane, što osigurava brzo kretanje Na + u ćeliju, a K + - van ćelije. Ovo je najčešća varijanta nastanka PD. U tom slučaju vrijednost membranskog potencijala prvo se smanjuje na nulu, zatim se naboj membrane mijenja u suprotno, a zatim se vraća na osnovna linija. Zapažene promjene u membranskom potencijalu pojavljuju se u obliku vršnog potencijala, AP, koji nastaje kao rezultat gradijenata koncentracije jona akumuliranih i održavanih ionskim pumpama unutar i izvan ćelije, tj. zbog potencijalne energije u obliku elektrohemijskih gradijenata jona. Ako je proces stvaranja energije blokiran, generacija AP se čuva neko vrijeme, ali nakon nestanka gradijenata koncentracije jona (eliminacija potencijalne energije), ćelija neće stvarati AP. Razmotrite faze PD.

Postoji mnogo različitih naziva za faze PD (nema zajedničkih pojmova). Najispravniji nazivi za AP faze, koji sadrže opću ideju promjene vrijednosti i predznaka naboja ćelije: 1) faza depolarizacije - proces smanjenja naboja ćelije na nulu; 2) faza inverzije - promjena naboja ćelije u suprotno, tj. cijeli period PD, kada je naboj unutar ćelije pozitivan, a izvan nje negativan; 3) faza repolarizacije – vraćanje naboja ćelije na prvobitnu vrednost (povratak na potencijal mirovanja).

Faza depolarizacije (vidi sliku 1, a, 1). Kada depolarizirajući stimulans djeluje na ćeliju, na primjer električna struja, početna parcijalna depolarizacija ćelijske membrane nastaje bez promjene njene ionske permeabilnosti. Kada depolarizacija dostigne približno 50% granične vrijednosti (50% graničnog potencijala), propusnost membrane za Na+ raste, i to u prvom trenutku relativno sporo. Naravno, brzina ulaska Na+ u ćeliju je u ovom slučaju niska. U tom periodu, kao i tokom cijele prve faze (depolarizacija), pokretačka sila koja osigurava ulazak Na+ u ćeliju su koncentracija i električni gradijenti. Ćelija unutra je negativno nabijena (suprotni naboji se međusobno privlače), a koncentracija Na+ izvan ćelije je 10-12 puta veća nego unutar ćelije. Uslov koji osigurava ulazak Na + u ćeliju je povećanje permeabilnosti ćelijske membrane, što je određeno stanjem mehanizma kapija Na + kanala (u nekim ćelijama, posebno u kardiomiocitima i glatkim mišićima vlakna, važnu ulogu u nastanku PD imaju zatvoreni kanali za Ca 2+). Trajanje električno kontroliranog kanala u otvorenom stanju ovisi o veličini membranskog potencijala. Ukupna struja jona u svakom trenutku određena je brojem otvorenih kanala ćelijske membrane. Dio ionskog kanala okrenut prema vanćelijskom prostoru razlikuje se od dijela kanala koji je okrenut prema unutrašnjosti ćelije. Mehanizam kapije Na + kanala nalazi se na spoljnoj i unutrašnjoj strani ćelijske membrane, mehanizam kapije K + kanala je sa unutrašnje strane (K + izlazi iz ćelije). U kanalima za Na+ nalaze se aktivaciona m-kapija, koja se nalaze sa vanićelijsku membranu (Na+ se kreće unutar ćelije tokom njene ekscitacije), a inaktivaciona h-kapija koja se nalazi sa unutra stanične membrane. U mirovanju, aktivaciona m-kapija su zatvorena, inaktivaciona h-kapija su pretežno (oko 80%) otvorena (vidi sliku 1b, 1); aktivaciona kapija kalijuma je takođe zatvorena (vidi sliku 1, c, 1), nema inaktivacionih kapija za K+.

Ponekad se m-kapija nazivaju brza, h-kapija su spora, jer reaguju kasnije od m-gates u procesu pobuđivanja ćelije. Međutim, kasnija reakcija h-gate je povezana sa promjenom naboja ćelije, kao i m-gate, koji se otvara tokom depolarizacije ćelijske membrane. H-gejti se zatvaraju u fazi inverzije, kada naelektrisanje unutar ćelije postaje pozitivno, što je razlog njihovog zatvaranja. U ovom slučaju, povećanje AP vrha se zaustavlja. Stoga je bolje zvati m-kapija rano, a h-kapija kasno.

Kada depolarizacija ćelije dostigne kritičnu vrijednost (E cr, kritični nivo depolarizacije - CUD), koja je obično -50 mV (moguće su i druge vrijednosti), permeabilnost membrane za Na + naglo raste: veliki broj naponsko zavisnih m-gejtova Na + - otvara kanale (vidi Sl.1, b, 2) i Na + juri u ćeliju poput lavine. Do 6000 jona prođe kroz jedan otvoreni Na + - kanal za 1 ms. Kao rezultat intenzivne struje Na+ unutar ćelije, proces depolarizacije odvija se vrlo brzo. Depolarizacija stanične membrane u razvoju uzrokuje dodatno povećanje njene permeabilnosti i, naravno, Na+ provodljivosti: otvara se sve više aktivacijskih m-kapija Na+ kanala, što daje Na+ struji u ćeliju karakter regenerativnog procesa. . Kao rezultat, PP nestaje, tj. postaje jednak nuli. Faza depolarizacije se ovdje završava.

faza inverzije. Uzlazni dio. Nakon nestanka PP nastavlja se ulaz u ćeliju Na + (m-kapija Na + - kanala su i dalje otvorena), pa broj pozitivnih jona u ćeliji premašuje broj negativnih jona, naboj unutar ćelije. ćelija postaje pozitivna, spolja negativna. Proces punjenja membrane je druga faza akcionog potencijala - faza inverzije (vidi sliku 1, a, 2). Sada električni gradijent sprečava Na + da uđe u ćeliju (pozitivni naboji se međusobno odbijaju), provodljivost se smanjuje. Ipak, neko vrijeme (djelići milisekundi) Na + nastavlja da ulazi u ćeliju, što dokazuje kontinuirano povećanje AP vrijednosti. To znači da je koncentracijski gradijent, koji osigurava kretanje Na+ u ćeliju, jači od električnog, što sprječava ulazak Na+ u ćeliju. Tokom depolarizacije membrane, povećava se i njena permeabilnost za Ca 2+, koji takođe odlazi u ćeliju, ali u nervnim vlaknima, neuronima i ćelijama skeletnih mišića uloga Ca 2+ u nastanku PD je mala. U glatkim mišićnim ćelijama i miokardu, njegova uloga je bitna. Dakle, cijeli uzlazni dio AP pika u većini slučajeva obezbjeđuje se uglavnom ulaskom Na+ u ćeliju.

Silazna komponenta faze inverzije. Otprilike 0,5-2 ms ili više nakon početka depolarizacije (ovo vrijeme ovisi o vrsti ćelije), rast AP se zaustavlja kao rezultat zatvaranja h-kapija inaktivacije natrijuma (vidi sliku 1) i otvaranja kapija K+ kanala, tj. zbog povećanja permeabilnosti K+ i naglog povećanja njegovog oslobađanja iz ćelije (vidi sliku 1, c, 2). Povećanje AP pika je također spriječeno smanjenjem električnog gradijenta Na+ (ćelija unutra je u ovom trenutku pozitivno nabijena), kao i oslobađanjem K+ iz ćelije kroz kanale curenja. Budući da se K + nalazi uglavnom unutar ćelije, on, prema gradijentu koncentracije, počinje brzo da je napušta, zbog čega se smanjuje broj pozitivno nabijenih iona u ćeliji. Naboj ćelije ponovo počinje da se smanjuje. Tokom silazne komponente faze inverzije, električni gradijent takođe doprinosi oslobađanju K+ iz ćelije. K+ se istiskuje pozitivnim nabojem iz ćelije i privlači ga negativnim nabojem izvan ćelije. To se nastavlja do potpunog nestanka pozitivnog naboja unutar ćelije (do kraja faze inverzije, vidi sl. 1, a, 2, tačkasta linija), kada počinje sljedeća faza AP - faza repolarizacije. Kalijum izlazi iz ćelije ne samo kontrolisanim kanalima koji su otvoreni, već i nekontrolisanim, tj. kanala curenja, što donekle usporava uzlazni dio DP i ubrzava tok silazne komponente DP.

Promjena potencijala membrane mirovanja dovodi do uzastopnog otvaranja ili zatvaranja električnih kontroliranih kapija jonskih kanala i kretanja jona prema elektrohemijskom gradijentu – nastajanju AP. Sve faze su regenerativne: potrebno je samo dostići kritični nivo depolarizacije, tada se AP razvija zbog potencijalne energije ćelije u obliku elektrohemijskih gradijenata, odnosno sekundarno aktivnih.

AP amplituda je zbir vrijednosti PP i vrijednosti faze inverzije, koja je 10-50 mV u različitim ćelijama. Ako je membranski PP mali, amplituda AP ove ćelije je mala.

faza repolarizacije. (vidi Sl. 1, a, 3) zbog činjenice da je propusnost ćelijske membrane za K+ i dalje visoka (aktivaciona kapija kalijumovih kanala su otvorena), K+ nastavlja brzo da napušta ćeliju prema gradijent koncentracije. Pošto ćelija sada ponovo ima negativan naboj iznutra, a pozitivan naboj izvana (vidi sliku 1, a, 3), električni gradijent sprečava izlazak K+ iz ćelije, što smanjuje njenu provodljivost, iako ona nastavlja da izlazi . To se objašnjava činjenicom da je djelovanje gradijenta koncentracije mnogo izraženije od električnog gradijenta. Dakle, cijeli silazni dio AP pika nastaje zbog oslobađanja K+ iz ćelije. Često na kraju AP dolazi do usporavanja repolarizacije, što se objašnjava smanjenjem permeabilnosti stanične membrane za K+ i usporavanjem njegovog oslobađanja iz ćelije kao rezultat zatvaranja kapija K+ kanala. Sljedeći razlog usporavanja struje K iz ćelije povezan je s povećanjem pozitivnog potencijala vanjske površine ćelije i formiranjem suprotno usmjerenog električnog gradijenta.

Dakle, glavnu ulogu u nastanku AP ima Na+, koji u ćeliju ulazi sa povećanjem permeabilnosti ćelijske membrane i obezbjeđuje cijeli uzlazni dio AP pika. Kada se Na + u mediju zamijeni drugim jonom, na primjer, kolinom, PD se ne javlja u nervnim i mišićnim ćelijama skeletnih mišića. Međutim, propusnost membrane za K+ također igra važnu ulogu. Ako se povećanje permeabilnosti za K+ spriječi tetraetilamonijumom, membrana nakon svoje depolarizacije repolarizira mnogo sporije, samo zbog sporih nekontrolisanih kanala (kanala propuštanja jona) kroz koje će K+ napustiti ćeliju.

Uloga Ca 2+ u nastanku PD u nervnim i mišićnim ćelijama skeletnih mišića je neznatna. Međutim, Ca 2+ igra važnu ulogu u nastanku AP u srčanim i glatkim mišićima, u prijenosu impulsa s jednog neurona na drugi, s nervnog vlakna na mišićno vlakno, te u kontrakciji mišića. Smanjenje sadržaja Ca 2+ u krvi za 50%, što se ponekad javlja u kliničku praksu, može dovesti do konvulzivnih kontrakcija skeletnih mišića. To je zbog značajnog povećanja ekscitabilnosti nervnog i mišićne ćelije kao rezultat smanjenja PP zbog smanjenja stepena neutralizacije negativnih fiksnih naboja na površini stanične membrane i negativno nabijenih karboksilnih grupa intersticija. Kao rezultat toga, reaktivnost neurona se povećava, budući da se PP približava E cr, osim toga, počinje aktivacija Na + kanala. Kao odgovor na dolazak najmanjeg impulsa, neuroni počinju stvarati AP u velikom broju, koji se manifestuje konvulzivnim kontrakcijama skeletnih mišića. Istovremeno, neuroni CNS-a i nervna vlakna također se mogu spontano prazniti.

Praćenje fenomena u procesu ekscitacije ćelije. Na kraju AP, na primjer, u skeletnom mišiću često dolazi do usporavanja repolarizacije – negativnog potencijala u tragovima (slika 2a).

Rice. 2. PD dvije ćelije: a - usporavanje faze repolarizacije; b - fenomeni u tragovima: 1 - hiperpolarizacija tragova; 2 -- depolarizacija u tragovima

Tada se može registrovati hiperpolarizacija ćelijske membrane, što je tipičnije za nervne celije(sl. 2b, 1). Ova pojava se naziva pozitivni potencijal tragova. Može biti praćeno parcijalnom depolarizacijom ćelijske membrane, koja se naziva i negativnim potencijalom traga (sl. 2b, 2), kao u slučaju usporavanja faze repolarizacije. Nakon AP ne postoje potencijali, već fenomeni u tragovima - prvo hiperpolarizacija u tragovima, a zatim depolarizacija u tragovima. Štaviše, fenomeni u tragovima nastaju nakon potpunog vraćanja membranskog potencijala na početni nivo, ali ne kao rezultat usporavanja faze repolarizacije, koja je jedna od faza AP. u srcu i glatke mišiće uočava se i spora repolarizacija - plato, ali na višem nivou.

Hiperpolarizacija ćelijske membrane u tragovima (sl. 2, b, 1) obično je posledica još preostale povećane permeabilnosti ćelijske membrane za K+, karakteristična je za neurone. Aktivaciona kapija K+ kanala još nisu potpuno zatvorena, pa K+ nastavlja napuštati ćeliju prema gradijentu koncentracije, što dovodi do hiperpolarizacije ćelijske membrane. Postepeno, propusnost ćelijske membrane se vraća u prvobitno stanje (natrijum i kalijum se vraćaju u prvobitno stanje), a potencijal membrane postaje isti kao što je bio pre ćelijske ekscitacije. Na + /K + -pumpa nije direktno odgovorna za faze akcionog potencijala, iako nastavlja da radi tokom razvoja AP: joni se kreću ogromnom brzinom prema koncentraciji i delimično električnim gradijentima.

Depolarizacija u tragovima (sl. 2b, 2) je takođe karakteristična za neurone, ali se može registrovati iu ćelijama skeletnih mišića. Mehanizam depolarizacije u tragovima nije dobro shvaćen. Možda je to povezano s kratkotrajnim povećanjem permeabilnosti stanične membrane za Na+ i njegovim ulaskom u ćeliju prema koncentraciji i električnim gradijentima.

Akcioni potencijal - električni impuls koji se javlja između unutrašnje i vanjske strane membrane i nastaje zbog promjena u ionskoj permeabilnosti membrane.

PD faze:

Prespike je proces spore depolarizacije membrane do kritičnog nivoa depolarizacije.

Šiljak (vršni potencijal) - sastoji se od uzlaznog dijela (depolarizacija membrane) i silaznog dijela (repolarizacija)

Negativni potencijal traga - od kritičnog nivoa depolarizacije do početnog nivoa polarizacije membrane.

Pozitivan potencijal u tragovima - povećanje membranskog potencijala i njegovo postepeno vraćanje na prvobitnu vrijednost.

Prvi period- lokalni odgovor je aktivna lokalna depolarizacija koja je rezultat povećanja permeabilnosti natrijuma stanične membrane. Međutim, sa stimulusom ispod praga, početno povećanje permeabilnosti natrija nije dovoljno veliko da izazove brzu depolarizaciju membrane. Lokalni odgovor se javlja ne samo kod subpragove, već i kod nadpragne stimulacije i sastavni je dio akcionog potencijala. Dakle, lokalni odgovor je početni i univerzalni oblik odgovora tkiva na podražaje različite jačine. Biološko značenje lokalnog odgovora je da ako je iritacija mala, onda tkivo na nju reaguje uz minimalni utrošak energije, ne uključujući mehanizme specifične aktivnosti. U istom slučaju, kada je iritacija iznad praga, lokalni odgovor se pretvara u akcioni potencijal. Period od početka iritacije do početka faze depolarizacije, kada lokalni odgovor, povećavajući se, smanjuje potencijal membrane na kritični nivo, naziva se latentno period ili skriveno period. Trajanje latentnog perioda zavisi od prirode iritacije (slika 3.5.).

Drugi period- faza depolarizacije. Ovaj dio akcionog potencijala karakterizira brzo smanjenje membranskog potencijala, pa čak i ponovno punjenje membrane: njen unutarnji dio postaje neko vrijeme pozitivno nabijen, a vanjski negativno. Za razliku od lokalnog odgovora, brzina i veličina depolarizacije ne zavise od jačine stimulusa. Trajanje faze depolarizacije u nervnom vlaknu žabe je oko 0,2 - 0,5 ms.

Treći period akcioni potencijal - faza repolarizacije, njeno trajanje je 0,5-0,8 ms. Za to vrijeme membranski potencijal se postepeno obnavlja i dostiže 75 - 85% potencijala mirovanja. U literaturi se drugi i treći period često nazivaju vrhuncem akcionog potencijala.

Fluktuacije membranskog potencijala nakon vrha akcionog potencijala nazivaju se potencijali u tragovima. Postoje dvije vrste potencijala u tragovima - depolarizacija u tragovima I hiperpolarizacija u tragovima, koji odgovaraju četvrtoj i petoj fazi akcionog potencijala. Depolarizacija u tragovima je nastavak faze repolarizacije i karakteriše je sporiji (u poređenju sa fazom repolarizacije) oporavak potencijala mirovanja. Depolarizacija tragova prelazi u hiperpolarizaciju tragova, što je privremeno povećanje membranskog potencijala iznad početnog nivoa. U mijeliniziranim nervnim vlaknima, potencijali u tragovima su složeniji. Depolarizacija u tragovima se može pretvoriti u hiperpolarizaciju u tragovima, tada se ponekad javlja nova depolarizacija, tek nakon toga potencijal mirovanja se potpuno obnavlja.

Jonski mehanizam akcionog potencijala

Akcioni potencijal se zasniva na uzastopnim promenama u ionskoj permeabilnosti ćelijske membrane. Kada iritans djeluje na ćeliju, propusnost membrane za jone Na+ naglo se povećava zbog aktivacije (otvaranja) natrijumskih kanala (slika 3.6.). U ovom slučaju ioni Na + prema koncentraciji.

Istovremeno, ioni Na + se intenzivno kreću duž gradijenta koncentracije izvana u intracelularni prostor. Ulazak Na+ jona u ćeliju je također olakšan elektrostatičkom interakcijom. Kao rezultat, propusnost membrane za Na+ postaje 20 puta veća od propusnosti za K+ ione.

Pošto protok Na + u ćeliju počinje da premašuje struju kalijuma iz ćelije, onda postepeno opadanje potencijal mirovanja, što dovodi do reverzije - promjene predznaka membranskog potencijala. U tom slučaju, unutrašnja površina membrane postaje pozitivna u odnosu na njenu vanjsku površinu. Ove promjene membranskog potencijala odgovaraju uzlaznoj fazi akcionog potencijala (faza depolarizacije)

Membrana se odlikuje povećanom propusnošću samo za jone Na+ kratko vrijeme 0,2 - 0,5 ms. Nakon toga, propusnost membrane za ione Na + ponovo opada, a za K + raste. Kao rezultat toga, protok Na + u ćeliju je naglo oslabljen, a protok K + iz ćelije se povećava (slika 3.7.).

Tokom akcionog potencijala, značajna količina Na+ ulazi u ćeliju, a K+ joni napuštaju ćeliju. Obnavljanje ćelijske jonske ravnoteže vrši se radom Na + ,K + - ATPazne pumpe, čija aktivnost raste s povećanjem unutrašnje koncentracije Na + iona i povećanjem vanjske koncentracije K + iona. Zbog rada jonske pumpe i promjene propusnosti membrane za Na+ i K+, postepeno se obnavlja njihova početna koncentracija u intra- i ekstracelularnom prostoru.

Rezultat ovih procesa je repolarizacija membrane: unutrašnji sadržaj ćelije ponovo dobija negativan naboj u odnosu na vanjsku površinu membrane.