Методом фиксации мембранного потенциала удалось измерить токи, текущие через плазмолемму аксона (аксолемму) кальмара и убедиться в том, что в покое ток катионов (К+) направлен из цитоплазмы в интерстиций, а при возбуждении доминирует ток катионов (Na+) в клетку. В состоянии «покоя» плазмолемма почти непроницаема для ионов, находящихся в межклеточном пространстве(Na+ С1- и НСОз-,).
При возбуждении проницаемость для ионов натрия на время, равное нескольким миллисекундам, резко возрастает, а затем снова падает. В результате катионы (ионы Na+) и анионы (С1-, НСОз) разобщаются на плазмолемме: Na+ входит в цитоплазму, а анионы нет. Поток положительных зарядов в цитоплазму не только компенсирует потенциал покоя, но и превышает его. Возникает так называемый «овершут» (или инверсия мембранного потенциала). Входящий поток натрия — результат его пассивного движения по открывшимся мембранным каналам по концентрационному и электрическому градиентам. Выходящий поток этого катиона обеспечивается калий-натриевой помпой.
По данным учебника В.О.Самойлова, в аксолемме активность Na-K-активируемой АТФазы довольно высока. Так, на 1 мкм2 мембраны нервного волокна, входящего в состав блуждающего нерва кролика, приходится около 750 молекул этого фермента. В покое встречные потоки натрия уравновешены, тогда как при возбуждении (в течение существования ПД) система активного транспорта натрия оказывается неспособной моментально компенсировать резкое усиление входящего потока. Она делает это с некоторым запаздыванием. Из сказанного следует, что мембранные потенциалы (ПП и ПД) являются не равновесными, а стационарными, поскольку поддерживаются в условиях существования встречных ионных потоков через плазматическую мембрану. Сдвиги мембранного потенциала связаны с нарушением установившегося стационарного режима, причем возбуждение сопровождается усилением и входящего, и выходящего потоков натрия. Значит, возбуждение не выключает систему активного транспорта натрия, а, напротив, активизирует ее. Однако даже при максимальной активизации калий-натриевая помпа не может воспрепятствовать кратковременному накоплению небольшого количества Na+ в цитоплазме.
Но в опыте было зафиксировано и другое. После кратковременного повышения натриевой проводимости величина мембранного потенциала довольно быстро восстанавливается на уровне потенциала покоя. Оказалось, что в этом процессе существенна роль калиевых каналов, которые обеспечивают реполяризацию мембраны за счет выхода из клетки какого-то количества ионов К+ как носителей положительного заряда. В разных возбудимых тканях механизм потенциала действия обеспечивается вкладом и других катионов, в частности, кальция. ПД миоцитов связан с входящим в цитоплазму из интерстиция потоком не только Na+-, но и Са++. В скелетных мышцах вклад Са++ в ПД невелик, в миокарде он больше, а в гладких мышцах доминирует.
Повышение проницаемости мембраны для внеклеточных катионов, приводящее к генерации потенциала действия, обеспечивается существованием потенциал-зависимых ионных каналов.
Потенциалзависимые натриевые каналы в плазматических мембранах различных клеток представлены несколькими типами. Это белковая молекула массой около 230 кДа, состоящая из 4 субъединиц и домена, несущего сильный положительный заряд.
В структуре ионного канала выделяют два основных функциональных элемента — селективный фильтр и воротный механизм (ворота).
Селективный фильтр канала предназначен для захвата только тех ионов, которые проводятся через канал. Степень селективности определяется стереометрией белковой молекулы и зарядом аминокислотных остатков. Ионная пора имеет размер, строго соответствующий проводимому иону с учетом гидратной оболочки. Вместе с тем степень избирательности ионной поры не абсолютна, через натриевый канал могут следовать, хоть и значительно хуже, и близкие по заряду и величине ионы натрия.
В последние годы в экспериментах выяснилось, что селективный фильтр обладает неизменяемой структурой, не способной изменять просвет в разных условиях. Переходы канала из открытого состояния в закрытое и обратно связаны с работой не селективного фильтра, а воротного механизма. Под воротными процессами, происходящими в той части ионного канала, которая называется «воротами», понимают такие изменения конформации белковых молекул, образующих канал, в результате которых его пора может сжиматься или расширяться. В первом случае «ворота» закрыты, а во втором — открыты. Следовательно, «воротами» принято называть те функциональные группы белковых молекул, которые обеспечивают воротные процессы. Важно, что «ворота» приводятся в движение физиологическими стимулами, т.е. такими, которые присутствуют в естественных условиях. Среди физиологических стимулов особую роль играют сдвиги мембранного потенциала,, что и предопределяет активацию потенциалзависимых ионных каналов.
Твердо установлено, что генерация ПД обеспечивается только потенциалзависимыми ионными каналами. В их структуре выделен участок, несущий заряд и способный выступать сенсором напряжения.
Сенсор напряжения натриевого канала способен реагировать на сдвиг мембранного потенциала от уровня потенциала покоя (примерно -90 мВ) до -55 мВ, т. е. порог активации (перевод канала из закрытого в открытое состояние) составляет около 35 мВ.
Современная функциональная модель натриевого потенциалзависимого канала, описанная во всех учебниках, предусматривает существование в нем двух типов ворот, работающих со сдвигом фаз. Они отличаются инерционными свойствами. Более подвижные (легкие) названы m-воротами, более инерционные (тяжелые) — h-воротами (использованы буквы m и h, обозначающие константы в дифференциальных уравнениях Ходжкина и Хаксли, описывающих ионные токи через мембрану). При потенциале покоя m-ворота открыты, h-ворота закрыты, и движение Na+ по каналу невозможно. При деполяризации плазмолеммы ворота обоих типов приходят в движение, но в силу неодинаковой инерции m-ворота успевают открыться раньше, чем закроются h-ворота. В этот миг натриевый канал открыт полностью и Na+ успевает на протяжении нескольких миллисекунд войти в клетку. Это и есть фаза деполяризации. Реполяризация начинается после закрытия тяжелых h-ворот, то есть после прекращения потока натрия, и обусловлена активностью калиевых каналов.
Потенциалзависимых калиевые каналы обеспечивающие реполяризацию мембраны, представлены более чем пятью типами, присутствуют не только в плазмолемме, но и на внутриклеточных мембранах. Активируются при деполяризации мембраны. Воротные процессы в калиевом канале весьма инертны. Он открывается примерно в 10 раз медленнее, чем закрываются h-ворота натриевого канала.
Потенциалзависимые калиевые каналы аксолеммы обладают более высокой селективностью по сравнению с натриевыми ворота калиевых каналов. Последний процесс вносит свой вклад в восстановление исходного ПП, т. е. в реполяризацию.
Кальциевые каналы. Гораздо большее разнообразие по сравнению с натриевыми и калиевыми присуще кальциевым каналам. Среди них есть много потенциалнезависимых (лиганд- или рецептор-управляемых) и, по крайней мере, четыре типа (только у млекопитающих) потенциалзависимых кальциевых каналов: L, T, N, Р.
Например, кальциевый канал L-типа (от англ. long-lasting — долгоживущий, в открытом активированном состоянии пребывает около 500 мс) весьма часто имеется в клетках млекопитающих. Воротный его механизм также состоит из двух составляющих, обозначаемых как d (легкие ворота) и f (тяжелые).
Для приведения в движение ворот кальциевых каналов L-типа требуется больший сдвиг мембранного потенциала, чем для натриевых. В кардиомиоците, имеющем потенциал покоя около -90 мВ, для открытия натриевого канала требуется сдвиг мембранного потенциала до -55 мВ, а для активации кальциевого канала еще дополнительно до-35 мВ. Потенциалзависимые кальциевые каналы открываются при сдвиге мембранного потенциала только в фосфорилированном состоянии, при гидролизе АТФ.
В различных мембранах имеется свой, часто совсем не совпадающий с другими клетками, репертуар потенциалзависимых ионных каналов. В мембране гигантского аксона кальмара присутствуют главным образом натриевые и калиевые каналы. В сарколемме поперечно-полосатого мышечного волокна они дополняются популяцией кальциевых каналов. Кальциевых каналов значительно больше в плазмолемме кардиомиоцита, а в мембране гладкомышечного волокна они вообще преобладают. Соотношением каналов разных типов в плазматической мембране той или иной клетки определяются параметры генерируемых ими потенциалов действия. Однако главное, что определяет наличие в плазмалемме потенциалзависимых каналов – отнесение обладающих ими клеток к категории электровозбудимых. Последние соображения позволяют уточнить понятия возбудимости.
Все клеточные мембраны делят на возбудимые (электрогенные) и невозбудимые (неэлектрогенные). Невозбудимые мембраны способны генерировать только потенциалы покоя, в то время как возбудимые и ПП, и ПД. Указанное различие обусловлено присутствием в возбудимых мембранах потенциалзависимых ионных каналов. В невозбудимых мембранах находятся только потенциалнезависимые ионные каналы.
В физиологии свойство возбудимости не ограничивают мембранами, а распространяют на ткани, подразделяя их на возбудимые и невозбудимые.
Можно считать возбудимыми такие ткани, клеточные структуры которых обладают возбудимыми мембранами (определение В.О.Самойлова).
К ним относят железистую, нервную и мышечную ткани. Только в них под действием раздражителей возникают ПД, которые сопровождают целый комплекс других процессов, также развивающихся в ответ на стимуляцию.
Способность возбудимой ткани изменять свои свойства или состояние под действием раздражителей называют возбудимостью. Ее количественной мерой служит интенсивность порогового раздражителя, т. е. самого слабого стимула, в ответ на который возникает ПД, а вслед за ним и специфическая реакция. Чем ниже порог, тем выше возбудимость. Следовательно, между порогом и возбудимостью имеется обратно пропорциональная зависимость.