Потенциал действия: фазы и ионные механизмы

Потенциал действия (ПД) это короткий и стереотипный скачок мембранного потенциала, которым возбудимая клетка передаёт сигнал. На экзамене по физиологии от вас почти всегда хотят одно и то же: назвать фазы по порядку и объяснить, какой ионный ток отвечает за каждую из них. Ниже разберём фазы потенциала действия и ионные механизмы так, чтобы вы могли восстановить картину от потенциала покоя до возврата на исходный уровень. Если нужно разобрать именно вашу формулировку задания, соберите запрос в форме ниже.

Потенциал покоя как стартовая точка

Прежде чем говорить о фазах ПД, нужно понять, откуда клетка стартует. В покое мембрана нейрона поляризована: внутри отрицательно, снаружи положительно. Типичное значение потенциала покоя около $-70$ мВ.

Эта разность держится на двух опорах. Первая это концентрационные градиенты: ионов $K^+$ много внутри клетки, ионов $Na^+$ много снаружи. Вторая это избирательная проницаемость мембраны: в покое открыты в основном калиевые каналы утечки, поэтому потенциал покоя близок к равновесному потенциалу для калия. Градиенты постоянно поддерживает натрий-калиевый насос, выкачивая 3 иона $Na^+$ наружу в обмен на 2 иона $K^+$ внутрь за счёт энергии АТФ.

Равновесный потенциал каждого иона можно оценить уравнением Нернста:

$E_{ion} = \frac{RT}{zF} \ln \frac{[\text{ion}]_{out}}{[\text{ion}]_{in}}$

Для калия $E_K \approx -90$ мВ, для натрия $E_{Na} \approx +60$ мВ. Эти два числа задают полюса, между которыми будет метаться мембранный потенциал во время ПД.

Деполяризация: лавина натрия

Когда стимул сдвигает мембранный потенциал до порогового уровня (около $-55$ мВ), запускается фаза деполяризации. Открываются потенциал-зависимые натриевые каналы, и ионы $Na^+$ устремляются внутрь по градиенту.

Ключевой момент это положительная обратная связь: вход натрия деполяризует мембрану ещё сильнее, что открывает ещё больше натриевых каналов. Возникает лавина, и потенциал стремительно ползёт вверх к значениям около $+30...+40$ мВ. Именно из-за этого механизма ПД подчиняется закону всё или ничего: либо порог достигнут и развивается полноценный спайк, либо ответа нет вовсе.

Рассчитать для своей задачи

Натриевый канал имеет два воротных механизма: быстрые активационные ворота (открываются при деполяризации) и медленные инактивационные ворота (закрываются с небольшой задержкой). Из-за этого канал не может оставаться открытым бесконечно.

Реполяризация: выход калия

На пике ПД натриевые каналы инактивируются: их инактивационные ворота захлопываются, и входящий ток натрия прекращается. Одновременно с задержкой открываются потенциал-зависимые калиевые каналы, и ионы $K^+$ начинают выходить из клетки наружу по своему градиенту.

Выход положительно заряженного калия возвращает внутреннюю сторону мембраны к отрицательным значениям. Это фаза реполяризации: кривая ПД круто идёт вниз, к потенциалу покоя. Логика проста: натрий загоняет систему вверх, калий тянет её обратно вниз, а сдвиг во времени между этими токами и формирует характерную форму спайка.

Гиперполяризация и возврат к покою

Калиевые каналы закрываются медленно, поэтому выход $K^+$ слегка затягивается. Из-за этого мембрана на короткое время становится отрицательнее, чем потенциал покоя. Это следовая гиперполяризация: потенциал ныряет ниже $-70$ мВ, ближе к $E_K$.

Затем избыточные калиевые каналы закрываются, проницаемости возвращаются к исходным, и мембранный потенциал устанавливается на уровне покоя. Концентрационные градиенты при этом почти не меняются за один спайк: за восстановление точного ионного состава в долгой перспективе отвечает натрий-калиевый насос, но непосредственно форму ПД он не лепит.

Рефрактерность: почему нельзя возбудить дважды подряд

Пока натриевые каналы инактивированы, клетка не способна сгенерировать новый ПД никакой силой стимула. Это абсолютный рефрактерный период. Он совпадает с большей частью спайка и реполяризации.

Рассчитать для своей задачи

Когда часть натриевых каналов уже вышла из инактивации, но мембрана ещё гиперполяризована, наступает относительный рефрактерный период: новый ПД возможен, но требует более сильного стимула. Рефрактерность важна функционально, она задаёт максимальную частоту импульсов и обеспечивает однонаправленное проведение возбуждения по аксону, что в итоге определяет, как сигнал доходит до синапса и запускает реакцию в рефлекторной дуге.

Как ПД распространяется по аксону

Один спайк не сидит на месте: он бежит вдоль мембраны аксона. Механизм местный. Деполяризованный участок становится источником локальных токов, которые сдвигают потенциал соседнего участка до порога, там открываются натриевые каналы, и развивается новый ПД. Так возбуждение перекатывается дальше, а форма спайка в каждой точке остаётся прежней, потому что каждый раз ПД генерируется заново по тому же ионному сценарию.

Рефрактерность задаёт направление этого движения. Участок, который только что отстрелял спайк, находится в абсолютном рефрактерном периоде и не может возбудиться повторно. Поэтому волна не разворачивается назад и идёт строго от тела клетки к окончанию аксона.

В миелинизированных волокнах ПД развивается только в перехватах Ранвье, где мембрана не покрыта миелином и где сконцентрированы натриевые каналы. Между перехватами сигнал проскакивает пассивно, локальными токами, поэтому проведение называют сальтаторным, то есть скачкообразным. Это резко повышает скорость и экономит энергию: натриевые каналы открываются не по всей длине, а только в перехватах, и насосу приходится восстанавливать меньше градиента. Скорость проведения растёт с диаметром волокна и с наличием миелина.

Сводка: фаза, ток и направление

Чтобы не путаться на устном ответе, держите в голове связку фаза - канал - ион:

• Покой: открыты калиевые каналы утечки, потенциал около $-70$ мВ, градиенты держит насос.
• Деполяризация: открыты потенциал-зависимые $Na^+$-каналы, $Na^+$ внутрь, потенциал до $+30...+40$ мВ.
• Реполяризация: $Na^+$-каналы инактивированы, открыты $K^+$-каналы, $K^+$ наружу, потенциал вниз.
• Гиперполяризация: $K^+$-каналы ещё открыты, потенциал ниже покоя, около $E_K$.
• Возврат к покою: проницаемости восстановлены, потенциал на уровне покоя.

Частые ошибки

• Путают потенциал покоя и порог: покой это около $-70$ мВ, порог около $-55$ мВ. ПД развивается только после достижения порога.
• Приписывают натрий-калиевому насосу реполяризацию. Насос медленный и поддерживает градиенты, а быструю реполяризацию даёт выход калия через калиевые каналы.
• Считают, что за один спайк концентрации ионов сильно меняются. Через мембрану проходит крошечная доля ионов, градиенты почти не страдают.
• Забывают про инактивацию натриевых каналов и не могут объяснить, почему ток натрия прекращается на пике.
• Смешивают абсолютный и относительный рефрактерные периоды или вообще не упоминают рефрактерность.

FAQ

Почему потенциал действия подчиняется закону всё или ничего? Из-за положительной обратной связи на фазе деполяризации: при достижении порога вход натрия лавинообразно нарастает и доводит спайк до полной амплитуды независимо от силы надпорогового стимула. Подпороговый стимул ПД не вызывает вовсе.

Какой ион отвечает за деполяризацию, а какой за реполяризацию? Деполяризацию обеспечивает входящий ток натрия через потенциал-зависимые $Na^+$-каналы. Реполяризацию обеспечивает выходящий ток калия через потенциал-зависимые $K^+$-каналы. Это два ключевых тока, которые нужно назвать в ответе.

Зачем нужна следовая гиперполяризация? Она возникает из-за медленного закрытия калиевых каналов: калий выходит чуть дольше, чем нужно, и потенциал на время становится отрицательнее покоя. Вместе с рефрактерностью гиперполяризация ограничивает частоту импульсов.

Коротко

Потенциал действия проходит фазы: покой, деполяризация, реполяризация, следовая гиперполяризация, возврат к покою. Деполяризацию даёт лавинообразный вход натрия через потенциал-зависимые каналы, реполяризацию выход калия, гиперполяризацию запаздывающее закрытие калиевых каналов. Натрий-калиевый насос поддерживает градиенты, но форму спайка не определяет. Инактивация натриевых каналов создаёт рефрактерный период и однонаправленное проведение возбуждения.