Ионные каналы Управляют Возбудимостью Возбуждение клеток полностью зависит от ионных каналов, в основном от натриевых и калиевых каналов. Существуют три схемы управления: каналы, управляемые лигандом, открываются для определенных молекул, каналы, управляемые напряжением, открываются для заданного заряда мембраны, и механочувствительные каналы открываются для растяжения мембраны. Большинство феноменов и многие лекарственные препараты связаны с лиганд‑ и потенциалзависимыми каналами, однако знание всех трех из них очень важно.
Нервно‑мышечное соединение: Схема, управляемая лигандами В двигательном синапсе пузырьки в нервных окончаниях высвобождают ацетилхолин в щель, обращенную к концевой пластинке мышцы. Ацетилхолин связывает постсинаптические рецепторы и открывает их каналы. Натрий поступает в мышечное волокно, вызывая электрические изменения, которые инициируют передачу сигналов о сокращении.
Порог разблокирует управляемый напряжением натриевый После выхода из состояния покоя деполяризация должна достичь порогового значения (примерно от -55 до -60 мВ), чтобы открылись быстрые Na+‑каналы, управляемые напряжением. Деполяризация, управляемая лигандом, часто обеспечивает начальный толчок. После открытия многие быстрые Na+-каналы пропускают большой приток Na+, что приводит к увеличению потенциала действия.
Калий стимулирует реполяризацию и последующую гиперполяризацию Когда всплеск достигает максимума, Na+‑каналы, управляемые напряжением, инактивируются, в то время как K+‑каналы, управляемые напряжением, открываются. Калий выходит из клетки, снижая мембранный потенциал — реполяризация. Если K+ каналы остаются открытыми после окончания периода покоя, потенциал переходит в гиперполяризацию, прежде чем восстановиться.
Механочувствительные Каналы Превращают Прикосновение в Электричество Растяжение или деформация рецепторной мембраны открывает механочувствительные Na+-каналы. Поступление натрия деполяризует мембрану до порогового значения. Затем Na+‑каналы, управляемые быстрым напряжением, запускают потенциал действия, преобразуя сжатие или растяжение в нервный сигнал.
Потенциал покоя и триггеры, запускающие возбуждение Обычный нейрон находится в состоянии, близком к -70 мВ, что является стабильным состоянием, когда он не активен. Любой подходящий триггер — деполяризация светом или нейромедиатор — может повысить потенциал до порогового значения и инициировать потенциал действия. Значения в состоянии покоя и пороговые значения варьируются в зависимости от типа клеток, включая нейроны, кардиомиоциты и гладкую мускулатуру.
Деполяризация, локальные потенциалы и полные всплески В состоянии покоя внутренняя часть клетки отрицательна, а внешняя - положительна. Деполяризация - это приток положительного заряда, который превращает внутреннюю часть клетки из отрицательной в положительную, а внешнюю - в обратную. Локальные (не распространяющиеся) потенциалы изменяют заряд только в ограниченной области; полный потенциал действия требует порогового значения, а затем распространяется.
Все или Ничего: Действие Возможно Только При Достижении Порогового Значения Пики происходят по принципу "все или ничего": без достижения порогового значения быстрые Na+‑каналы не открываются и потенциал действия отсутствует. При превышении порогового значения открывается множество быстрых Na+-каналов и обеспечивается пик. После этого Na+-каналы закрываются, K+-каналы открываются, и мембрана переполяризуется в состоянии покоя и может временно гиперполяризоваться.
Равновесный (Нернстовский) потенциал Объясняет направление ионов Каждый ион обладает равновесным потенциалом — мембранным напряжением, при котором его суммарный поток равен нулю. Это значение отражает электродвижущую силу, управляющую ионом, и зависит от внутри‑ и внеклеточной концентрации. Это объясняет, почему Na+ стремится к более положительным напряжениям, а K+ - к более отрицательным.
Электрохимический градиент: Химия плюс Электричество Движение ионов зависит как от градиента концентрации, так и от электрической мишени. Для Na+ высокие внеклеточные и низкие внутриклеточные уровни создают химический толчок внутрь, в то время как равновесный потенциал обеспечивает электрическое притяжение. При K+ (около 150 внутри и ~4 снаружи) химический импульс направлен наружу, а электрическая мишень находится вблизи -85 мВ.
Что подразумевают типичные равновесные потенциалы При обычных концентрациях ENa составляет примерно +65 мВ, однако превышение потенциала действия обычно достигает максимума в диапазоне от +20 до +30 мВ — таким образом, ENa в большей степени указывает направление, чем фактическую высоту всплеска. EK составляет около -85 мВ, что приводит к тому, что мембрана опускается ниже уровня покоя во время постгиперполяризации. Открытие Cl−каналов позволяет отрицательно заряженному хлориду проникать из его более высокого внеклеточного запаса, гиперполяризуя клетку до ее собственного равновесного предела — принципы, лежащие в основе действия бензодиазепинов и барбитуратов.
Изменение проводимости и периодов огнеупорности При достижении порогового значения проводимость Na+ резко возрастает, вызывая всплеск; вскоре после этого Na+ инактивируется, а проводимость K+ повышается, вызывая реполяризацию и гиперполяризацию. Наступает период абсолютной невосприимчивости, в течение которого никакие раздражители не могут вызвать новый всплеск. В течение относительного периода невосприимчивости только необычно сильный раздражитель может достичь порогового значения, главным образом потому, что быстрые Na+-каналы нуждаются в восстановлении, а мембрана остается гиперполяризованной.
Уровень калия повышает возбудимость Поскольку K+ задает потенциал покоя, внеклеточные изменения изменяют возбудимость. Гиперкалиемия деполяризует мембрану до порогового значения или выше него, что может привести к возникновению единичного потенциала действия, а затем приводит к инактивации быстрых Na+—каналов, что приводит к невозможности дальнейшего возбуждения, что приводит к остановке сердца. Гипокалиемия делает потенциал покоя более отрицательным, поэтому для достижения порогового значения требуется более сильный стимул, а работа мышц, включая сердечную, снижается.
Кальций регулирует пороговое значение Кальций регулирует уровень порога возбуждения, хотя механизм его действия неясен. Гипокальциемия снижает порог (например, примерно до -65 мВ), делая нейроны легко возбудимыми и склонными к спазмам или припадкам. Гиперкальциемия повышает порог, подавляя нервную активность, вызывая ступор и подавленные рефлексы, а поступление кальция в сердце поддерживает фазу плато потенциала действия.