Мембранный потенциал действия (МПД)
Ключевые тезисы
- МПД — это разность потенциалов между наружной и внутренней поверхностью мембраны в состоянии возбуждения.
- Возникает при открытии натриевых каналов и входе ионов натрия (Na⁺) в клетку.
- Величина МПД для нервной клетки составляет около +110 мВ (+30 мВ внутри относительно -80 мВ снаружи).
- Регистрация МПД возможна внутри- и внеклеточно.
- На скорость и силу входа Na⁺ влияет концентрационный градиент.
- МПД состоит из нескольких последовательных фаз.
Основное содержание
Что такое МПД?
Мембранный потенциал действия — это разность потенциалов (или зарядов) между наружной и внутренней поверхностью возбужденной мембраны. При этом на внутренней поверхности скапливается положительный заряд (за счет ионов Na⁺), а на наружной — отрицательный.
Величина МПД
Для нервной клетки величина МПД составляет примерно +110 мВ (от -80 мВ в покое до +30 мВ в пике возбуждения).
Механизм возникновения МПД
- В состоянии покоя натриевые каналы закрыты, калиевые — открыты.
- При действии раздражителя открываются натриевые каналы.
- Ионы Na⁺ начинают пассивно заходить внутрь клетки, так как их внеклеточная концентрация в 10 раз выше внутриклеточной (градиент 10:1).
- Вход Na⁺ вызывает деполяризацию мембраны: внутри накапливается положительный заряд, снаружи — отрицательный.
Регистрация МПД
- Внутриклеточная: с помощью микроэлектрода, введенного в клетку. Регистрирует сам потенциал.
- Внеклеточная: электроды размещаются снаружи клетки (например, ЭКГ, ЭЭГ, ЭМГ). Регистрация происходит только во время действия потенциала, так как фиксируется волна изменения зарядов на мембране.
Влияние концентрационного градиента
Заход ионов Na⁺ в клетку зависит от концентрационного градиента.
- Концентрационный градиент — это соотношение концентраций иона по разные стороны мембраны.
- Чем больше градиент (например, 15:1 вместо 10:1), тем сильнее заход Na⁺ и тем меньше величина МПД (так как деполяризация происходит быстрее и сильнее).
- Изменения концентраций внутри и снаружи клетки обратно пропорциональны: если внеклеточная концентрация Na⁺ растет, то внутриклеточная — падает, и наоборот.
Фазы МПД
1. Локальный ответ (пороговая деполяризация)
- Раздражитель открывает натриевые каналы.
- Na⁺ начинает медленно заходить внутрь, так как его отталкивает положительный заряд ионов калия (K⁺) у внутренней поверхности мембраны (отталкивающая сила).
- Мембранный потенциал постепенно сдвигается к критическому уровню.
2. Фаза деполяризации (пик МПД)
Состоит из двух периодов:
- 2А. Быстрый (залповый) заход Na⁺: При достижении критического уровня деполяризации отталкивающая сила исчезает. Na⁺ быстро устремляется в клетку, вызывая резкую деполяризацию (пик до +30 мВ).
- 2Б. Начало реполяризации: Чтобы клетка не погибла от избытка Na⁺, включается натрий-калиевый насос (Na⁺/K⁺-АТФаза). Он начинает выкачивать Na⁺ наружу. Одновременно открываются калиевые каналы, и K⁺ начинает выходить из клетки.
3. Фаза реполяризации (следовые потенциалы)
Состоит из двух периодов:
- 3А. Следовая деполяризация: K⁺ продолжает медленно выходить.
- 3Б. Следовая гиперполяризация: Выход K⁺ может стать избыточным, и мембранный потенциал становится более отрицательным, чем потенциал покоя (например, -90 мВ). Чтобы это исправить, калий-натриевый насос активно закачивает K⁺ обратно в клетку, восстанавливая исходный потенциал покоя (-80 мВ).
Выводы
- МПД — это электрический импульс, основанный на движении ионов Na⁺ и K⁺ через мембрану.
- Ключевые этапы: медленный вход Na⁺, быстрый залповый вход Na⁺, работа Na⁺/K⁺-насоса и выход K⁺.
- Концентрационный градиент ионов — главный двигатель процесса.
- Фазы МПД обеспечивают быстрое проведение сигнала и восстановление клетки для следующего импульса.