Биоэлектрические явления в живых тканях

01Понятие возбудимости и основы биоэлектрогенеза

Биоэлектрические явления — это разности электрических потенциалов, возникающие в живых клетках и тканях вследствие неравномерного распределения неорганических ионов между цитозолем и межклеточной средой, а также избирательной проницаемости плазматической мембраны. Способность живых систем генерировать электрические сигналы является фундаментальной основой передачи информации в нервной системе, инициации мышечного сокращения и регуляции секреторных процессов.

Возбудимость, раздражимость и реактивность

В общей физиологии разделяют несколько фундаментальных понятий:

• Раздражимость — общебиологическое свойство всех без исключения живых клеток изменять свой метаболизм и структурно-функциональное состояние в ответ на внешние или внутренние воздействия.

• Возбудимость — специализированное свойство высокодифференцированных тканей отвечать на раздражение переходом из состояния физиологического покоя в состояние физиологической активности, сопровождающееся генерацией потенциала действия. К высоковозбудимым тканям традиционно относят нервную, мышечную (скелетную, сердечную, гладкую) и железистую ткани.

• Возбуждение — активный физиологический процесс, специфическая реакция возбудимой ткани на раздражитель, выражающаяся в генерации распространяющегося электрического импульса (потенциала действия) и последующем выполнении специфической рабочей функции (проведение импульса, сокращение, экзоцитоз секрета).

Барьерные свойства мембраны и ионная асимметрия

Плазматическая мембрана представляет собой липидный бислой толщиной 7–10 нм с гидрофобной сердцевиной, непроницаемой для гидратированных неорганических катионов и анионов, а также для крупных органических молекул. Благодаря гидрофобному барьеру фосфолипидов мембрана функционирует как электрический конденсатор (емкость мембраны составляет около 1 мкФ/см²), разделяющий заряды, накопленные на ее внутренней и внешней поверхностях.

Между цитоплазмой и интерстициальной жидкостью поддерживается выраженный трансмембранный концентрационный градиент (ионная асимметрия), типичный для млекопитающих:

1. Ионы калия ($K^+$): Внутри клетки концентрация составляет 140–150 ммоль/л, тогда как во внеклеточной жидкости — всего 3,5–5,0 ммоль/л (градиент направлен из клетки наружу, концентрация внутри в 30–40 раз выше).

2. Ионы натрия ($Na^+$): Внутри клетки концентрация низкая — 10–14 ммоль/л, во внеклеточной жидкости высокая — 140–145 ммоль/л (градиент направлен снаружи внутрь, концентрация снаружи в 10–14 раз выше).

3. Ионы хлора ($Cl^-$): В цитоплазме концентрация невелика (4–10 ммоль/л в нейронах), снаружи высока (105–110 ммоль/л; направлен снаружи внутрь).

4. Ионы кальция ($Ca^{2+}$): Свободный цитозольный кальций поддерживается на чрезвычайно низком уровне — около 100 нмоль/л ($10^{-7}$ моль/л), тогда как в интерстиции концентрация ионизированного кальция составляет 1,2–1,5 ммоль/л (градиент превышает $10^4$ раз).

5. Крупные фиксированные анионы ($A^-$): Внутриклеточные белки, фосфаты, сульфаты и нуклеиновые кислоты при физиологическом pH несут суммарный отрицательный заряд и физически не могут преодолеть бислой мембраны.

02Потенциал покоя: механизм формирования и ионный базис

Мембранный потенциал покоя (ПП) — это стабильная трансмембранная разность электрических потенциалов между внутренней и наружной поверхностями плазматической мембраны в состоянии физиологического покоя клетки. По соглашению потенциал внеклеточного раствора принимается за нулевой референтный уровень, поэтому потенциал покоя выражается со знаком «минус»:

• в телах нейронов спинного и головного мозга: от $-60$ до $-75$ мВ;

• в миелинизированных аксонах: около $-70$ мВ;

• в скелетных мышечных волокнах и рабочих кардиомиоцитах желудочков: от $-80$ до $-90$ мВ;

• в гладкомышечных клетках: от $-50$ до $-60$ мВ.

Калиевая природа мембранного потенциала покоя

Главным источником формирования ПП служит пассивная диффузия ионов калия из клетки в интерстиций. В покое мембрана обладает высокой селективной проницаемостью для $K^+$ за счет постоянно открытых фоновых калиевых каналов (каналы утечки семейств K2P — двупоровые калиевые каналы, такие как TASK, TREK, TRAAK, а также каналы аномального выпрямления Kir).

Механизм генерации отрицательного заряда разворачивается следующим образом:

1. Движущая сила химического градиента: Имея тридцатикратный избыток концентрации внутри клетки, катионы $K^+$ пассивно выходят наружу через каналы утечки.

2. Разделение зарядов на мембране: Выходя из клетки, калий уносит положительные электрические заряды. Внутриклеточные поливалентные органические анионы (белки, полифосфаты) не способны пройти через поры каналов вслед за калием из-за больших геометрических размеров и гидрофильности. Они концентрируются непосредственно у внутренней поверхности плазмолеммы, создавая отрицательный электростатический слой.

3. Возникновение противодействующей электрической силы: Накапливающийся на наружной поверхности мембраны избыток катионов и отрицательный заряд цитозоля начинают электростатически притягивать выходящие ионы $K^+$ обратно в клетку.

4. Динамическое электрохимическое равновесие: В определенный момент сила электрического поля, стремящаяся вернуть $K^+$ в клетку, сравнивается по величине с силой концентрационного градиента, выталкивающего $K^+$ наружу. Чистый нетто-ток калия прекращается, хотя встречные потоки продолжают протекать с равной скоростью. Потенциал, при котором достигается это равенство, называется равновесным потенциалом для калия ($E_K$).

03Математическое моделирование ПП: уравнения Нернста и Гольдмана — Ходжкина — Катца

Для количественной оценки мембранных потенциалов в биофизике и физиологии используют два классических уравнения.

Уравнение Нернста для равновесного потенциала отдельного иона

Уравнение Нернста определяет величину электрического потенциала, который необходим для полной компенсации диффузии одного конкретного сорта ионов по градиенту концентрации:

При температуре тела человека ($37^\circ\text{C}$ или $310\text{ K}$) с переходом к десятичным логарифмам формула принимает вид:

где $R$ — универсальная газовая постоянная ($8,314\text{ Дж}/(\text{моль}\cdot\text{К})$), $T$ — абсолютная температура, $F$ — постоянная Фарадея ($96485\text{ Кл}/\text{моль}$), $z$ — валентность иона с учетом знака ($+1$ для $K^+$ и $Na^+$, $-1$ для $Cl^-$, $+2$ для $Ca^{2+}$).

Рассчитаем равновесные потенциалы для основных ионов типичного нейрона:

• $E_K = 61,5 \cdot \lg(4 / 140) \approx -95\text{ мВ}$;

• $E_{Na} = 61,5 \cdot \lg(145 / 12) \approx +66\text{ мВ}$;

• $E_{Cl} = -61,5 \cdot \lg(110 / 10) \approx -64\text{ мВ}$.

Если бы мембрана в покое была проницаема исключительно для калия, реальный ПП составлял бы точно $-95$ мВ (теория Бернштейна). Однако измеренный в эксперименте потенциал покоя нервной клетки равен $-70$ мВ, то есть сдвинут в положительную сторону на 20–25 мВ относительно $E_K$. Это обусловлено тем, что мембрана покоя обладает небольшой, но ненулевой проницаемостью для ионов натрия.

Уравнение Гольдмана — Ходжкина — Катца (постоянного поля)

Уравнение постоянного поля Гольдмана — Ходжкина — Катца (GHK) рассчитывает совокупный мембранный потенциал с учетом относительной проницаемости мембраны ($P$) для всех ключевых диффундирующих монотендентных ионов:

Обратите внимание: концентрация анионов хлора в числителе взята изнутри клетки ($[Cl^-]_{in}$), а в знаменателе — снаружи ($[Cl^-]_{out}$), поскольку отрицательный заряд хлора ($z = -1$) математически инвертирует дробь.

В состоянии покоя типичное соотношение относительных проницаемостей в аксоне составляет:

Поскольку проницаемость для натрия невелика ($P_{Na} = 0,04$), но градиент натрия направлен внутрь клетки и имеет огромную движущую силу ($V_m - E_{Na} = -70 - (+66) = -136\text{ мВ}$), постоянная входящая утечка натрия частично деполяризует мембрану, смещая потенциал от $-95\text{ мВ}$ до реальных $-70\text{ мВ}$.

04Роль и механизмы первичного активного транспорта: Na+/K+-АТФаза

Пассивные диффузионные токи утечки ($K^+$ наружу, $Na^+$ внутрь) непрерывно разрушают исходные градиенты концентраций. Без активного противодействия концентрации ионов внутри и снаружи клетки быстро бы выровнялись, мембранный потенциал исчез, а клетка погибла бы от осмотического отека (коллоидно-осмотический лизис). Эту фундаментальную компенсаторную роль выполняет натрий-калиевый насос (Na+/K+-АТФаза).

Молекулярный механизм работы насоса (цикл Поста — Олберса)

Na+/K+-АТФаза — это трансмембранный фермент P-типа, гетеротетрамер, состоящий из каталитической $\alpha$-субъединицы (содержащей центры связывания ионов, АТФ и участок фосфорилирования Asp369) и гликопротеиновой $\beta$-субъединицы, необходимой для правильной укладки и доставки фермента в мембрану.

Цикл конформационных изменений включает следующие фазы:

1. Состояние E1 (высокое сродство к $Na^+$): Насос открыт внутрь цитозоля. Связываются 3 иона $Na^+$ и молекула АТФ.

2. Фосфорилирование: Происходит гидролиз АТФ с переносом терминальной фосфатной группы на остаток аспарагиновой кислоты фермента. Это вызывает конформационный переход белка из формы E1 в E2.

3. Состояние E2-P (низкое сродство к $Na^+$, высокое к $K^+$): Белковая пора открывается во внеклеточную среду. Сродство к натрию падает в сотни раз, и 3 иона $Na^+$ диссоциируют в интерстиций. Одновременно с внеклеточной стороны связываются 2 иона $K^+$.

4. Дефосфорилирование и релаксация в E1: Связывание калия стимулирует гидролитическое отщепление фосфатной группы, белок возвращается в конформацию E1, створка открывается внутрь клетки, и 2 иона $K^+$ высвобождаются в цитозоль.

Вклад насоса в мембранный потенциал: прямой и косвенный

Вклад Na+/K+-АТФазы в потенциал покоя подразделяется на две неравнозначные составляющие:

• Косвенный вклад (составляет 90–95% от величины ПП): Насос непрерывно поддерживает высокую внутриклеточную концентрацию $K^+$ и низкую $Na^+$, тем самым создавая условия для диффузии калия через фоновые каналы утечки.

• Прямой электрогенный вклад (составляет 5–10%, или от $-2$ до $-10$ мВ): Поскольку за один цикл расхода 1 молекулы АТФ наружу транспортируются 3 положительных заряда ($Na^+$), а внутрь возвращаются только 2 ($K^+$), насос создает чистый выходящий положительный ток. Этот асимметричный перенос напрямую гиперполяризует плазматическую мембрану.

При фармакологической блокаде сердечными гликозидами (уабаин, строфантин, дигоксин) клетка мгновенно теряет прямой электрогенный компонент (мембрана деполяризуется на 2–10 мВ), а в течение последующих десятков минут полностью истощаются ионные градиенты, приводя к полной потере возбудимости.

05Потенциал действия: феноменология, фазы и временные параметры

Потенциал действия (ПД) — это высокоамплитудный, кратковременный, регенераторный сдвиг мембранного потенциала, активно распространяющийся по мембране возбудимой клетки без затухания амплитуды (бездекрементно). ПД является специализированной универсальной формой кодирования и сверхбыстрой передачи информации вдоль нервных волокон и триггером сокращения в мышечных клетках.

В динамике классического спайкового потенциала действия аксона выделяют строго упорядоченные фазы:

1. Предпотенциал (фаза медленной деполяризации): Под действием стимула мембранный потенциал начинает сдвигаться от уровня покоя (например, $-70$ мВ) в положительную сторону. Пока потенциал не достиг критической точки, процесс носит локальный характер.

2. Критический уровень деполяризации (КУД, пороговый потенциал): Уровень трансмембранного потенциала (обычно около $-55...-50$ мВ), при достижении которого входящий деполяризующий натриевый ток строго сравнивается, а затем начинает превышать суммарный выходящий реполяризующий калиевый ток. Достижение КУД — точка невозврата, после которой запуск полного ПД становится неизбежным.

3. Фаза быстрой деполяризации (восходящее колено спайка): Происходит стремительное нарастание мембранного потенциала до нулевого уровня и далее в область положительных значений со скоростью от 100 до 1000 В/с.

4. Овершут (инверсия потенциала, реверсия, overshoot): Участок пика ПД, где внутренняя сторона мембраны приобретает положительный заряд относительно наружной. Вершина овершута достигает $+20...+40$ мВ.

5. Фаза быстрой реполяризации (нисходящее колено спайка): Стремительное возвращение мембранного потенциала обратно в область отрицательных значений к исходному уровню покоя.

6. Следовые потенциалы:

   • Следовая деполяризация (отрицательный следовой потенциал): Небольшая временная задержка возврата потенциала к норме (на 2–5 мВ положительнее ПП), связанная с кратковременным накоплением калия в узком околомембранном субэпителиальном пространстве.

   • Следовая гиперполяризация (положительный следовой потенциал): Сдвиг потенциала в более отрицательную область, чем исходный ПП (например, до $-75...-80$ мВ), обусловленный тем, что потенциалзависимые калиевые каналы закрываются с задержкой и через них продолжается избыточный выход $K^+$.

Длительность спайка ПД различается в зависимости от функциональной специализации ткани: в миелинизированных аксонах млекопитающих она составляет всего 0,5–1,0 мс; в скелетной мышце — 2–5 мс; в гладкомышечных клетках — 10–50 мс; в рабочем кардиомиоците желудочков за счет длительного плато с участием кальциевых каналов L-типа достигает 250–350 мс.

06Молекулярные механизмы ПД: модель Ходжкина — Хаксли и кинетика ворот каналов

Молекулярный механизм генерации спайка был математически и экспериментально раскрыт Аланом Ходжкином и Эндрю Хаксли (1952) на гигантском аксоне кальмара с использованием метода фиксации напряжения (voltage clamp).

Основа теории — изменение проводимости мембраны для ионов вследствие работы потенциалзависимых ионных каналов, обладающих специфическими молекулярными «воротами» (gating particles), меняющими положение в зависимости от электрического поля.

Строение и воротные частицы быстрого натриевого канала ($Nav$)

Быстрый потенциалзависимый $Na^+$-канал содержит порообразующую $\alpha$-субъединицу из четырех гомологичных доменов (I–IV), в каждом из которых четвертый трансмембранный сегмент (S4) богат положительно заряженными аминокислотами (аргинин, лизин) и выполняет роль сенсора напряжения.

В модели Ходжкина — Хаксли натриевая проводимость описывается как:

где $\bar{g}_{Na}$ — максимальная натриевая проводимость, а переменные $m$ и $h$ отражают вероятности открытого состояния ворот:

• Ворота активации ($m$-ворота): Быстрые ворота, расположенные ближе к наружной поверхности поры. В покое закрыты ($m \approx 0$). Требуется одновременный поворот трех сенсоров ($m^3$). При деполяризации мембраны сенсоры S4 смещаются наружу, и $m$-ворота молниеносно распахиваются (время раскрытия менее 0,1 мс).

• Ворота инактивации ($h$-ворота): Медленные ворота, представляющие собой внутриклеточную гидрофобную петлю между III и IV доменами (мотив «шарик на ножке» или лейцин-изолейцин-фенилаланин IFM-мотив). В покое $h$-ворота открыты ($h \approx 1$). При деполяризации они начинают конформационно закрываться, затыкая пору изнутри цитозоля, но делают это с задержкой (примерно через 0,5–1,0 мс после смещения потенциала).

Три конформационных состояния натриевого канала

В динамике потенциала действия $Nav$-канал проходит через три дискретных функциональных состояния:

1. Закрытое состояние покоя: $m$-ворота закрыты, $h$-ворота открыты. Ток натрия отсутствует, однако канал полностью функционально готов к ответу на последующую деполяризацию.

2. Активированное (открытое) состояние: $m$-ворота открыты, $h$-ворота открыты. Ионы натрия с гигантской скоростью устремляются внутрь клетки по электрохимическому градиенту. Развивается регенераторный положительный цикл: деполяризация $\to$ открытие $Na^+$-каналов $\to$ входящий ток $Na^+ \to$ дополнительная деполяризация мембраны (положительная обратная связь Ходжкина).

3. Инактивированное состояние: $m$-ворота открыты (или закрываются), но пора физически блокирована $h$-створкой. Ток натрия равен нулю. Никакой стимул любой сверхпороговой силы не способен вызвать ток через инактивированный канал до тех пор, пока мембрана не реполяризуется и канал не вернется в закрытое исходное состояние.

Калиевый канал задержанного выпрямления ($Kv$)

Калиевый канал задержанного выпрямления имеет формулу проводимости:

где $n$ — переменная активационных калиевых ворот. В отличие от натриевых каналов, $Kv$-каналы открываются со значительной кинетической задержкой (delayed rectifiers). Когда $Na^+$-каналы уже инактивируются на пике овершута, калиевые $n$-ворота синхронно выходят на максимум открытости ($n^4$). Массивный выходящий ток калия по градиенту выносит положительные заряды из клетки, обеспечивая фазу быстрой реполяризации.

07Сравнительная характеристика: локальный ответ против потенциала действия

При раздражении возбудимой клетки стимулами различной силы возникают принципиально отличные типы биоэлектрических реакций: подпороговые стимулы вызывают локальный ответ (местное возбуждение), тогда как пороговые и сверхпороговые стимулы инициируют распространяющийся потенциал действия.

Механизм возникновения локального ответа

Если на мембрану наносится катодический электрический стимул подпороговой силы (не достигающий КУД), мембрана частично деполяризуется. Открывается лишь небольшая доля быстрых $Na^+$-каналов. Входящий натриевый ток через эти единичные каналы оказывается недостаточным, чтобы преодолеть выходящий калиевый ток через фоновые каналы утечки. Как только внешний раздражающий стимул прекращается, калиевый ток быстро возвращает мембранный потенциал к исходному уровню покоя.

Аналитическая сравнительная таблица параметров

Для успешного ответа на экзамене необходимо четко сопоставлять характеристики этих двух процессов:

08Динамика возбудимости клетки: фазы рефрактерности и их ионная природа

В процессе развития потенциала действия возбудимость клетки претерпевает закономерные циклические фазовые изменения. Период временного снижения возбудимости называется рефрактерностью (рефрактерным периодом).

Фазы изменения возбудимости в сопоставлении со структурой ПД

1. Фаза кратковременного повышения возбудимости (исходная экзальтация): Совпадает с фазой локального предпотенциала. Мембранный потенциал приближается к критическому уровню деполяризации, поэтому дополнительному раздражителю требуется меньшая амплитуда для запуска ПД.

2. Абсолютный рефрактерный период (АРП): Совпадает по времени с фазой быстрой деполяризации, пиком спайка (овершутом) и первой третью нисходящего колена реполяризации. В эту фазу возбудимость клетки падает до нуля: никакой, даже предельно мощный сверхпороговый стимул не способен вызвать повторный потенциал действия.

   • Ионный механизм: Практически 100% быстрых $Na^+$-каналов находятся либо в активированном, либо в глубоко инактивированном состоянии ($h$-ворота захлопнуты, $h = 0$). Генерация регенераторного натриевого тока физически невозможна.

3. Относительный рефрактерный период (ОРП): Соответствует оставшейся части фазы быстрой реполяризации. В эту фазу возбудимость снижена, но постепенно восстанавливается от нуля до нормы. Повторный ПД может быть вызван, но только стимулом сверхпороговой силы. При этом амплитуда вновь вызванного ПД будет снижена, а крутизна нарастания спайка уменьшена.

   • Ионный механизм: Во-первых, по мере реполяризации часть $Na^+$-каналов успевает реактивироваться (вернуться из инактивированного состояния в закрытое, открыв $h$-ворота). Во-вторых, потенциалзависимые калиевые каналы задержанного выпрямления все еще широко открыты ($n^4$ велико) — мощный выходящий калиевый ток шунтирует входящий натриевый ток, требуя более мощного деполяризующего толчка.

4. Фаза супернормальной возбудимости (экзальтация): Соответствует следовой деполяризации. Мембрана остается деполяризованной на несколько милливольт ближе к КУД, чем в покое, при уже восстановившихся из инактивации $Na^+$-каналах. В этот период подпороговый стимул может спровоцировать генерацию ПД.

5. Фаза субнормальной возбудимости: Соответствует следовой гиперполяризации. Мембранный потенциал более отрицателен, чем ПП (удален от КУД), из-за чего порог раздражения повышен, а возбудимость ткани снижена.

Физиологическое значение рефрактерности

Рефрактерность выполняет критически важные регуляторные функции:

• Ограничение максимальной частоты импульсации: Лабильность (функциональная подвижность по Н.Е. Введенскому) определяется длительностью рефрактерного периода. Если длительность АРП нервного волокна равна 1 мс, оно физически не может провести более 1000 импульсов в секунду.

• Обеспечение однонаправленного проведения: Волна деполяризации по нервному волокну распространяется только вперед, поскольку участок мембраны позади фронта возбуждения находится в абсолютной рефрактерности и временно «немой» для тока.

• Защита миокарда от тетанического сокращения: Длительный рефрактерный период кардиомиоцитов (200–300 мс) исключает суммацию сокращений и развитие тетануса, обеспечивая жизненно необходимую насосную фазность сердечной деятельности (систола — диастола).

09Законы раздражения возбудимых тканей и параметры оценки возбудимости

Для вызова возбуждения внешний стимул должен удовлетворять определенным биофизическим критериям, сформулированным в классических законах раздражения.

Законы раздражения

1. Закон силы (силовых соотношений): Чтобы вызвать возбуждение, сила действующего стимула должна быть не ниже пороговой величины. Подпороговые стимулы дают лишь затухающий местный ответ; пороговые вызывают минимальный распространяющийся ПД; с увеличением силы стимула до субмаксимальной и максимальной в целой скелетной мышце или нервном стволе вовлекается большее число отдельных волокон, что увеличивает суммарный сократительный или электрический ответ органа.

2. Закон «всё или ничего»: Относится к одиночной высоковозбудимой клетке (одиночному нервному волокну или кардиомиоциту). Подпороговый раздражитель не вызывает ПД вовсе («ничего»), а пороговый и сверхпороговый раздражители запускают ПД максимальной возможной для данной клетки амплитуды («всё»). Дальнейшее увеличение силы раздражения не увеличивает амплитуду ПД изолированного волокна.

3. Закон длительности (силы-длительности, закон Гоорвега — Вейсса — Лапика): Раздражающее действие стимула зависит не только от его силы, но и от времени, в течение которого он воздействует на мембрану. Чем выше сила стимула, тем меньшее время требуется для инициации возбуждения, и наоборот.

4. Закон градиента (аккомодации): Возбуждающее действие стимула зависит от скорости нарастания его силы во времени ($dI/dt$). При чрезвычайно медленном нарастании деполяризующего тока возбуждение не возникает даже при превышении исходного порога. Это явление называется аккомодацией. При медленной деполяризации $h$-ворота $Na^+$-каналов успевают медленно закрываться еще до достижения КУД, а калиевые $n$-ворота — открываться, нейтрализуя деполяризацию.

Параметры оценки возбудимости по Лапику

Для количественной характеристики функционального состояния возбудимых тканей в эксперименте и клинической электродиагностике используют следующие параметры:

• Реобаза ($R$): Минимальная сила постоянного электрического тока, способная вызвать возбуждение ткани при неограниченной длительности его действия (измеряется в вольтах или миллиамперах).

• Полезное время: Минимальное время, в течение которого должен действовать ток силой в одну реобазу, чтобы вызвать ответ.

• Хронаксия ($Chr$): Минимальное время, необходимое для вызова возбуждения током удвоенной реобазной силы ($2R$). Чем меньше хронаксия, тем выше функциональная возбудимость ткани (хронаксия нервов обычно составляет 0,1–0,5 мс, скелетных мышц — 0,2–1,0 мс).

10Механизмы проведения возбуждения по нервным волокнам

Генерация потенциала действия в конкретной точке мембраны запускает процесс его распространения вдоль всей длины волокна. В основе проведения импульса лежит циркуляция локальных круговых токов (токов Германа) между возбужденным и соседними покоящимися участками мембраны.

Непрерывное проведение в немиелинизированных волокнах (тип C)

В безмиелиновых нервных волокнах мембрана на всем протяжении контактирует с межклеточной жидкостью и имеет равномерную плотность ионных каналов (около 100–200 каналов на 1 мкм²):

1. В точке возбуждения внутренняя сторона мембраны заряжается положительно ($+30$ мВ), а наружная становится отрицательной.

2. В соседнем покоящемся участке полярность сохраняется нормальной: внутри минус ($-70$ мВ), снаружи плюс.

3. Между разноименно заряженными зонами возникает разность потенциалов около 100 мВ. Возникают локальные электрические токи: внутри клетки катионы текут от возбужденного участка к покоящемуся, а снаружи — обратно к возбужденному.

4. Этот выходящий круговой ток разряжает мембранную емкость покоящегося соседнего микроучастка, деполяризует его до КУД и провоцирует открытие собственных быстрых $Na^+$-каналов.

5. Процесс повторяется пошагово и непрерывно от точки к точке. Скорость такого непрерывного проведения относительно невелика — от 0,5 до 2 м/с.

Сальтаторное (скачкообразное) проведение в миелинизированных волокнах (типы A и B)

Миелинизированные волокна покрыты оболочкой из шванновских клеток (в периферической нервной системе) или олигодендроцитов (в ЦНС), образующих многослойную фосфолипидную изоляцию. Через каждые 1–2 мм изоляция прерывается оголенными микроучастками мембраны шириной 1 мкм — перехватами Ранвье.

• Межперехватные сегменты (интернодии) обладают колоссальным трансмембранным электрическим сопротивлением и ничтожно малой емкостью; в них практически отсутствуют потенциалзависимые $Na^+$-каналы.

• Перехваты Ранвье, напротив, обладают экстремально высокой плотностью быстрых потенциалзависимых $Na^+$-каналов (до 10 000–12 000 каналов на 1 мкм²).

Электрический ток не может замкнуться через толстый изолирующий слой миелина и «перепрыгивает» по проводящему цитозолю и тканевой жидкости от одного перехвата Ранвье к следующему (сальтаторное проведение, от лат. saltare — прыгать). Это обеспечивает два решающих преимущества:

1. Колоссальное увеличение скорости: В толстых двигательных волокнах типа A$\alpha$ скорость проведения достигает 70–120 м/с.

2. Высокая энергетическая экономичность: Ионные токи и последующая работа Na+/K+-АТФазы по откачиванию ионов осуществляются только в миниатюрных перехватах Ранвье (менее 0,1% площади мембраны), экономя колоссальное количество метаболической энергии клетки в форме АТФ.

11На экзамене

12Частая ошибка