Передача сигналів по нервових клітинах відбувається у вигляді потенціалів дії (ПД) - коротких електричних імпульсів, що проходять по мембранами. Однак і в стані спокою нейрон зсередини заряджений негативно по відношенню до своєї зовнішньої поверхні, т. Е. Має стійким мембранним потенціалом, або потенціалом спокою (ПП), який становить в середньому -70 мВ.
Для вимірювання ПП, а також іншої електричної активності нервових клітин використовують скляний мікроелектрод - трубочку з сильно витягнутим і витонченим кінчиком, діаметр якого повинен бути менше 1 мкм; в цьому випадку мікроелектрод, проткнув мембрану нейрона, не нанесе йому помітних пошкоджень. Порожнина трубочки заповнюється розчином солі KCI для забезпечення електричної провідності. Поки кінчик електрода знаходиться в міжклітинному середовищі, стрілка мікровольтметр стоїть на нулі (рис. 3.5). У момент проколювання мембрани нейрона реєструється стрибок потенціалу вниз до рівня ПП, і, якщо не зміщувати електрод щодо нервової клітини, потенціал зберігається практично незмінним.
Рис.3.5. Реєстрація потенціалу спокою нервової клітини: а - реальна фотографія, що дозволяє зіставити розміри нейрона і електродів, що використовуються в експериментах; б - схема реєстрації потенціалу спокою шляхом введення в нейрон кінчика мікроелектрода; 1 - ядро клітини; 2 - внутрішньоклітинний електрод; 3 - вольтметр
Потенціал спокою залежить від властивостей мембрани нейронів і іонного балансу нервової тканини. Показано, що концентрація основних іонів всередині і поза нервової клітини істотно різниться; так, в аксоні кальмара іонів К + в цитоплазмі в 20-30 разів більше, ніж зовні; іонів Na + і Cl - приблизно в 10 разів менше; Ca 2+ зовні більше в 20-30 разів.
Створення такого іонного балансу здійснюється особливими білками-насосами. Найбільш важливою для діяльності нервової системи є натрій-калієва АТФ-аза (Na +. До + -насос). Цей великий білок (близько 1000 амінокислот), вбудований в мембрану, має на внутрішній поверхні місця зв'язування для Na + і АТФ, а на зовнішній поверхні - для К + (рис. 3.6).
На першій стадії циклу Na +. До + -насос захоплює з цитоплазми три іона Na + і молекулу АТФ, потім, використовуючи енергію розпаду АТФ, молекула насоса змінює свою просторову конфігурацію, іони Na + виявляються зовні клітини і вивільняються в міжклітинну середу. Насос захоплює два іона К + і повертається до початкової конфігурації. В результаті іони К + переходять в цитоплазму, а насос готовий до нового циклу. Процес перенесення в клітку іонів К + вимагає витрати енергії, одержуваної в результаті розпаду АТФ на АДФ і фосфорну кислоту (Ф).
Швидкість цього процесу може бути дуже великий - до 600 іонів Na + в секунду. У реальних нейронах вона визначається доступністю внутрішньоклітинного Na + і різко зростає при його проникненні ззовні. При відсутності будь-якого з двох типів іонів робота насоса зупиняється. Специфічним отрутою, що блокує діяльність Na +. До + -насоса, є токсин рослинного походження строфантин, який приєднується до місця зв'язування К +.
Мал. 3.6. Схема Na +. До + -насоса: → - вихід з клітини іонів Na + і перенесення в клітку іонів К +
Подібні системи перенесення існують для іонів Cl - і Ca 2+. При цьому іони хлору виводяться з цитоплазми в міжклітинну середу, а іони кальцію зазвичай переносяться всередину клітинних органоїдів - каналів ЕРС і мітохондрій.
Для виникнення потенціалу спокою також необхідно існування в мембрані нервових клітин відкритих іонних каналів, в результаті чого мембрана стає проникною для певних іонів, які отримують можливість вільно переміщатися між цитоплазмою і міжклітинної середовищем. Ключове значення для появи ПП мають постійно відкриті (проточні) К + -канали. Вони являють собою білкові молекули, прохід всередині яких специфічно настроєний на пропуск іонів К +.
Однак така дифузія не призводить до зрівнювання концентрації іонів калію всередині і поза клітиною, так як паралельно з виходом К + з клітини в ній стає все більше залишилися без своєї позитивно зарядженої пари аніонів (негативно заряджених іонів); в міру дифузії К + в цитоплазмі нейрона накопичується негативний електричний заряд (рис. 3.7, а). Притягаючи до себе катіони (позитивно заряджені іони), він починає все більше перешкоджати виходу К + з клітини. У підсумку вихід К + триває лише до тих пір, поки сила дифузії (концентраційного тиску) і сила електричного поля не стануть рівні. Точка рівноваги і відповідає рівню потенціалу спокою.
Рис.3.7. Роль іонів К + у виникненні і підтримці потенціалу спокою (ПП): а - виникнення ПП внаслідок дифузії іонів К + через постійно відкриті іонні канали (ІК); ⊕ - іони К +; # 8854; - негативні іонні пари; б - зміна рівня ПП при видаленні До + з міжклітинного середовища і додаванні К + в міжклітинну середу; 1 - зрушення ПП при видаленні К + із зовнішнього середовища (зростання дифузії); 2 - зрушення ПП при додаванні К + в зовнішнє середовище (зниження дифузії)
Струм іонів при досягненні ПП не зупиняється, так як є постійно відкриті канали і K + продовжує переміщатися крізь мембрану, але число іонів, які увійшли в клітку і вийшли з неї, тепер виявляється однаковим. Такий стан називається динамічною рівновагою - рівністю двох протиборчих процесів. Якщо інтенсивність одного з процесів зміниться, то точка рівноваги зміститься: при штучному підвищенні концентрації К + в міжклітинному середовищі послаблюється дифузія; частина іонів буде втягнута всередину клітини, і ПП зміститься вгору. При зменшенні вмісту іонів калію в міжклітинному середовищі посилюється дифузія, і ПП зміститься вниз (рис. 3.7, б). Всі ці явища підкоряються хімічним і фізичним законам. Існує рівняння Нернста, що дозволяє розрахувати рівень ПП, знаючи внутрішню і зовнішню концентрації К +:
де R, Т і F - три фізичні характеристики (газова постійна, абсолютна температура і постійна Фарадея відповідно); вираз перед логарифмом (2,3 RT / F) при температурі тіла одно 61,5 мВ. Десятковий логарифм відношення концентрацій іонів К + в міжклітинному середовищі ([К +] нар) і цитоплазмі ([К +] внутр) дорівнює -1,30 для співвідношення 1/20 і -1,48 для співвідношення 1/30; відповідні значення ПП дорівнюватимуть -80 мВ і -91 мВ; при цьому в рівноважному стані з клітки вийде менше 1% іонів К +.
Однак виникає невідповідність між розрахованим рівнем ПП і ПП реальних клітин, який зазвичай трохи нижче за абсолютним значенням. Підйом ПП відбувається за рахунок іншого типу постійно відкритих іонних каналів - натрієвих, яких істотно менше, ніж калієвих, але що входять в них іони Na + вносячи в клітину позитивний заряд, можуть збільшити ПП.
Вхідний струм Na + (струм витоку), знижуючи ПП за абсолютним значенням, робить нейрон більш збудливим. Чим більше у нейрона струм витоку Na + (постійно відкритих Na + -каналів), тим легше викликати у нього потенціал дії.
Роль іонів К + у формуванні ПП складається в створенні «базової», дещо завищеною різниці потенціалів між цитоплазмою нейрона і зовнішнім середовищем, роль іонів Na + - в «підгонці» ПП кожного конкретного нейрона до генетично заданим рівнем збудливості. Чим більше натрію в зовнішньому середовищі, а в мембрані - натрієвих каналів, тим вище (менше за абсолютним значенням) рівень ПП. Таким чином, виникає можливість сформувати як легко збудливі нейрони (необхідні для систем неспання або короткочасної пам'яті), так і нейрони мало збудливі (наприклад, запускають рухові програми).
Струм витоку Na + компенсується роботою Na +. До + -насоса. При отруєнні строфантином рівень ПП почне повільно зміщуватися вгору, наближаючись до нуля.
Мембрана нервової клітини на рівні ПП володіє також певною проникністю для іонів Cl -. Зазвичай вона трохи вища, ніж проникність для іонів Na +. і внесок її в формування ПП врахований в розширеному варіанті рівняння Нернста:
де Рк. PNa і РCl - проникності мембрани для відповідних іонів (зразкове співвідношення 1,00: 0,04: 0,15).
Останній фактор, який впливає на рівень ПП, - це електрогенний ефект Na +. До + -насоса. Обмінюючи в кожному циклі три іона натрію на два іона калію, насос зменшує загальну кількість позитивно заряджених іонів в цитоплазмі, і його активність знижує рівень ПП (збільшує його за абсолютним значенням). Внесок Електрогене ефекту насоса залежить від струму витоку Na +. але зазвичай не перевищує кількох мВ.
Таким чином, кінцевий рівень потенціалу спокою визначається взаємодією великої кількості факторів, основними з яких є вхідний і вихідний струми До +. вхідний струм Na + і діяльність Na +. До + -насоса. Кінцева величина ПП є результатом динамічної рівноваги процесів. Впливаючи на будь-який з них, можна зміщувати рівень ПП і відповідно рівень збудливості нервової клітини (рис. 3.8).
Таким чином, функція ПП складається в стабільному забезпеченні працездатного стану нервових клітин, і, володіючи ПП, нейрон здатний зі стану очікування переходити в «робочий режим» - т. Е. Час від часу генерувати потенціали дії (скачки потенціалу на мембрані, що передають інформацію в ЦНС).
Мал. 3.8. Фактори, які беруть участь у формуванні ПП: I - дифузія іонів К + через постійно відкриті калієві канали (зростання ПП за абсолютною величиною); II - Na +. До + -насос (обмін трьох Na + на два К +. Електрогенний ефект і зростання ПП за абсолютною величиною); III - дифузія іонів Na + через постійно відкриті натрієві канали: струм витоку, зниження ПП по абсолютній величині; → - рух іонів Na +; → - рух іонів К +
