Meccanismo ionico del potenziale d'azione. Potenziale d'azione

Il potenziale d'azione (AP) è un processo elettrofisiologico espresso nella rapida fluttuazione del potenziale di membrana a riposo dovuta al movimento degli ioni dentro e fuori la cellula e può propagarsi senza decremento (senza attenuazione). La PD garantisce la trasmissione dei segnali tra cellule nervose, tra centri nervosi e organi funzionanti; nei muscoli, il PD assicura il processo di accoppiamento elettromeccanico. Una rappresentazione grafica del PD è mostrata in Fig. 1.

Riso. 1.

a - potenziale d'azione, le sue fasi: 1 - depolarizzazione; 2 - inversione (superamento); 3 - ripolarizzazione; b - porta del sodio (h-1 - nel resto della cellula, h-2 - ascendente, h-3 - parti discendenti dell'AP); c - porta del potassio (1 in stato di riposo cellulare, 2 in stato di eccitazione). I segni più (+) e meno (--) riflettono la carica all'interno e all'esterno della cella durante le diverse fasi AP.

Caratteristiche del PD. Il valore PD varia da 80 a 130 mV; la durata del picco AP della fibra nervosa è 0,5--1 ms, la fibra del muscolo scheletrico è fino a 10 ms (tenendo conto del rallentamento della depolarizzazione alla sua fine), la durata dell'AP del muscolo cardiaco è 300 --400 ms. L'ampiezza del potenziale d'azione non dipende dalla forza della stimolazione; è sempre massima per una determinata cellula in condizioni specifiche: il potenziale d'azione obbedisce alla legge "tutto o niente", ma non obbedisce alla legge dei rapporti di forza, cioè , la legge della forza. Con una stimolazione minima della cellula, l'AP non si verifica affatto o raggiunge il suo valore massimo se la stimolazione è di soglia o supersoglia. Va notato che una stimolazione debole (sottosoglia) può causare un potenziale locale. Obbedisce alla legge della forza: all'aumentare della forza dello stimolo, aumenta anche la sua grandezza.

L'AP è composto da tre fasi: 1) depolarizzazione, cioè scomparsa della carica cellulare (diminuzione del potenziale di membrana fino a zero); 2) inversione, cioè un cambiamento nella carica cellulare in senso opposto, quando il lato interno della membrana cellulare è carico positivamente e il lato esterno negativamente; 3) ripolarizzazione, ad es. ripristino della carica originale della cella, quando la carica all'interno della cella diventa nuovamente negativa e all'esterno positiva.

Il meccanismo di insorgenza della PD. Se l'azione di uno stimolo sulla membrana cellulare porta all'inizio dello sviluppo della PD, allora il processo di sviluppo della PD stesso provoca cambiamenti di fase nella permeabilità della membrana cellulare, che garantisce il rapido movimento di Na + nella cellula, e K+ fuori dalla cella. Questo è il tipo più comune di PD. In questo caso, il potenziale della membrana diminuisce prima fino a zero, quindi la carica della membrana cambia al contrario e quindi viene ripristinata al livello originale. I cambiamenti osservati nel potenziale di membrana appaiono sotto forma di un potenziale di picco - AP, che si verifica come risultato dei gradienti delle pompe ioniche accumulati e mantenuti delle concentrazioni di ioni all'interno e all'esterno della cellula, cioè a causa dell'energia potenziale sotto forma di gradienti ionici elettrochimici. Se il processo di produzione di energia viene bloccato, la generazione di AP continua per qualche tempo, ma dopo la scomparsa dei gradienti di concentrazione degli ioni (eliminazione dell'energia potenziale), la cella non genererà AP. Consideriamo le fasi del PD.

Esistono molti nomi diversi per le fasi del PD (non esistono termini comuni). I nomi più corretti per le fasi AP sono quelli che contengono l'idea generale di modificare l'entità e il segno della carica della cella: 1) fase di depolarizzazione: il processo di riduzione della carica della cella a zero; 2) fase di inversione - un cambiamento nella carica della cella al contrario, cioè l'intero periodo AP, quando la carica all'interno della cella è positiva e all'esterno è negativa; 3) fase di ripolarizzazione - ripristino della carica cellulare al suo valore originale (ritorno al potenziale di riposo).

Fase di depolarizzazione (vedi Fig. 1, a, 1). Quando una cellula è esposta a uno stimolo depolarizzante, come una corrente elettrica, avviene la depolarizzazione parziale iniziale della membrana cellulare senza modificare la sua permeabilità agli ioni. Quando la depolarizzazione raggiunge circa il 50% del valore soglia (50% del potenziale soglia), la permeabilità della membrana al Na + aumenta, e inizialmente in modo relativamente lento. Naturalmente, la velocità di ingresso del Na+ nella cellula è bassa. Durante questo periodo, come durante tutta la prima fase (depolarizzazione), la forza trainante che garantisce l'ingresso del Na+ nella cellula è la concentrazione e i gradienti elettrici. La cella all'interno è carica negativamente (le cariche opposte si attraggono) e la concentrazione di Na + all'esterno della cella è 10-12 volte superiore a quella all'interno della cella. La condizione che garantisce l'ingresso del Na+ nella cellula è un aumento della permeabilità della membrana cellulare, che è determinata dallo stato del meccanismo di gate dei canali del Na+ (in alcune cellule, in particolare nei cardiomiociti e nelle fibre muscolari lisce , i canali controllati per il Ca 2+ svolgono un ruolo importante nella comparsa dell'AP). La durata della permanenza del canale controllato elettricamente nello stato aperto dipende dal valore del potenziale di membrana. La corrente ionica totale in ogni momento è determinata dal numero di canali aperti nella membrana cellulare. La parte del canale ionico rivolta verso lo spazio extracellulare è diversa dalla parte rivolta verso l'interno della cellula. Il meccanismo di accesso dei canali del Na+ si trova sui lati esterno ed interno della membrana cellulare, il meccanismo di accesso dei canali del K+ si trova all'interno (il K+ esce dalla cellula). I canali per il Na+ hanno una porta m di attivazione, che si trova all'esterno della membrana cellulare (il Na+ entra nella cellula durante la sua eccitazione), e una porta h di inattivazione, situata all'interno della membrana cellulare. In condizioni di riposo, la porta m di attivazione è chiusa, la porta h di inattivazione è prevalentemente (circa l'80%) aperta (vedi Fig. 1, b, 1); Anche la porta di attivazione del potassio è chiusa (vedi Fig. 1c, 1), mentre per il K+ non c'è nessuna porta di inattivazione.

A volte i cancelli m sono chiamati veloci, i cancelli h sono lenti, poiché reagiscono più tardi dei cancelli m durante il processo di eccitazione cellulare. Tuttavia, la reazione successiva del cancello h è associata a un cambiamento nella carica cellulare, così come il cancello m, che si apre durante la depolarizzazione della membrana cellulare. L'h-gate si chiude durante la fase di inversione, quando la carica all'interno della cella diventa positiva, motivo della sua chiusura. In questo caso, l'aumento del picco AP si interrompe. Pertanto, è meglio chiamare l'm-gate in anticipo e l'h-gate in ritardo.

Quando la depolarizzazione cellulare raggiunge un valore critico (Ecr, livello critico di depolarizzazione - CUD), che di solito è -50 mV (sono possibili altri valori), la permeabilità della membrana per Na + aumenta bruscamente: un gran numero di tensioni m-gate dipendenti Na + si apre - canali (vedi Fig. 1, b, 2) e Na + si precipita nella cellula come una valanga. Fino a 6000 ioni passano attraverso un canale Na+ aperto in 1 ms. A causa dell'intensa corrente di Na+ nella cellula, il processo di depolarizzazione avviene molto rapidamente. Lo sviluppo della depolarizzazione della membrana cellulare provoca un ulteriore aumento della sua permeabilità e, naturalmente, della conduttività del Na +: si aprono sempre più porte m di attivazione dei canali del Na +, il che conferisce alla corrente del Na + nella cellula il carattere di un processo rigenerativo . Di conseguenza, il PP scompare, cioè diventa uguale a zero. La fase di depolarizzazione termina qui.

Fase di inversione. La parte ascendente. Dopo la scomparsa del PP, l'ingresso di Na+ nella cellula continua (la porta m dei canali Na+- è ancora aperta), quindi il numero di ioni positivi nella cellula supera il numero di ioni negativi, la carica all'interno della cellula diventa positivo e all'esterno negativo. Il processo di ricarica della membrana rappresenta la seconda fase del potenziale d'azione - la fase di inversione (vedi Fig. 1, a, 2). Ora il gradiente elettrico impedisce al Na+ di entrare nella cellula (le cariche positive si respingono), la conduttività diminuisce. Tuttavia, per qualche tempo (frazioni di millisecondo) Na+ continua ad entrare nella cella, come testimonia il continuo aumento del valore AP. Ciò significa che il gradiente di concentrazione che assicura il movimento del Na+ nella cellula è più forte del gradiente elettrico che impedisce al Na+ di entrare nella cellula. Durante la depolarizzazione della membrana aumenta anche la sua permeabilità al Ca 2+, che entra anche nella cellula, ma nelle fibre nervose, nei neuroni e nelle cellule muscolari scheletriche il ruolo del Ca 2+ nello sviluppo dell'AP è piccolo. Nella muscolatura liscia e nelle cellule del miocardio, il suo ruolo è significativo. Pertanto, l'intera parte ascendente del picco AP nella maggior parte dei casi è fornita principalmente dall'ingresso di Na+ nella cellula.

Fase della componente discendente dell'inversione. Circa 0,5-2 ms o più dopo l'inizio della depolarizzazione (questo tempo dipende dal tipo di cellula), la crescita di AP si arresta a seguito della chiusura del cancello h di inattivazione del sodio (vedere Fig. 1) e dell'apertura delle porte del canale del K+, cioè a causa di un aumento della permeabilità del K+ e di un forte aumento della sua uscita dalla cella (vedi Fig. 1, c, 2). La crescita del picco AP è impedita anche da una diminuzione del gradiente elettrico di Na + (la cella all'interno è caricata positivamente in questo momento), così come dal rilascio di K + dalla cella attraverso i canali di perdita. Poiché K+ si trova prevalentemente all'interno della cellula, secondo il gradiente di concentrazione, inizia a lasciarla rapidamente, a seguito della quale il numero di ioni caricati positivamente nella cellula diminuisce. La carica della cella ricomincia a diminuire. Durante la componente discendente della fase di inversione, anche l'uscita del K+ dalla cellula è facilitata dal gradiente elettrico. Il K+ viene spinto fuori dalla cellula dalla carica positiva e attratto dalla carica negativa proveniente dall'esterno della cellula. Ciò continua fino a quando la carica positiva all'interno della cella scompare completamente (fino alla fine della fase di inversione, vedere Fig. 1, a, 2, linea tratteggiata), quando inizia la successiva fase AP - la fase di ripolarizzazione. Il potassio lascia la cellula non solo attraverso canali controllati, che sono aperti, ma anche attraverso canali non controllati, cioè canali di perdita, che rallentano in qualche modo l’avanzamento della parte ascendente della PD e accelerano l’avanzamento della componente discendente della PD.

Un cambiamento nel potenziale di membrana a riposo porta all'apertura o alla chiusura sequenziale delle porte dei canali ionici controllate elettricamente e al movimento degli ioni secondo il gradiente elettrochimico - l'emergere di AP. Tutte le fasi sono rigenerative: è solo necessario raggiungere un livello critico di depolarizzazione, poi l'AP si sviluppa grazie all'energia potenziale della cellula sotto forma di gradienti elettrochimici, cioè secondario attivo.

L'ampiezza AP è costituita dal valore AP e dal valore della fase di inversione, che è 10-50 mV in celle diverse. Se la membrana PP è piccola, l'ampiezza AP di questa cellula è piccola.

Fase di ripolarizzazione. (vedi Fig. 1, a, 3) è dovuto al fatto che la permeabilità della membrana cellulare al K + è ancora elevata (la porta di attivazione dei canali del potassio è aperta), il K + continua a lasciare rapidamente la cellula secondo il gradiente di concentrazione. Poiché la cella ora ha di nuovo una carica negativa all'interno e una carica positiva all'esterno (vedi Fig. 1, a, 3), il gradiente elettrico impedisce al K + di lasciare la cella, il che riduce la sua conduttività, sebbene continui ad uscire. Ciò è spiegato dal fatto che l'effetto del gradiente di concentrazione è molto più forte del gradiente elettrico. Pertanto, tutta la parte discendente del picco AP è dovuta al rilascio di K+ dalla cellula. Spesso, alla fine dell'AP, si osserva un rallentamento della ripolarizzazione, che si spiega con una diminuzione della permeabilità della membrana cellulare al K + e un rallentamento del suo rilascio dalla cellula a seguito della chiusura del K + porta del canale. Il motivo successivo del rallentamento della corrente K dalla cella è associato ad un aumento del potenziale positivo della superficie esterna della cella e alla formazione di un gradiente elettrico diretto in senso opposto.

Pertanto, il ruolo principale nella comparsa di AP è svolto dal Na +, che entra nella cellula quando aumenta la permeabilità della membrana cellulare e fornisce l'intera parte ascendente del picco AP. Quando si sostituisce Na+ nel mezzo con un altro ione, ad esempio la colina, la PD non si verifica nelle cellule nervose e muscolari dei muscoli scheletrici. Tuttavia, anche la permeabilità della membrana al K+ gioca un ruolo importante. Se l'aumento della permeabilità al K+ è impedito dal tetraetilammonio, la membrana, dopo la sua depolarizzazione, si ripolarizza molto più lentamente, solo a causa di canali lenti e incontrollati (canali di fuga ionica) attraverso i quali il K+ lascerà la cellula.

Il ruolo del Ca 2+ nella comparsa della PD nelle cellule nervose e muscolari dei muscoli scheletrici è insignificante. Tuttavia, il Ca 2+ svolge un ruolo importante nella formazione del potenziale d'azione dei muscoli cardiaci e lisci, nella trasmissione degli impulsi da un neurone all'altro, dalla fibra nervosa alla fibra muscolare e nel garantire la contrazione muscolare. Una diminuzione del 50% del Ca 2+ nel sangue, che talvolta si riscontra nella pratica clinica, può portare a contrazioni convulsive dei muscoli scheletrici. Ciò è spiegato da un aumento significativo dell'eccitabilità delle cellule nervose e muscolari a seguito di una diminuzione del PP dovuta a una diminuzione del grado di neutralizzazione delle cariche fisse negative sulla superficie della membrana cellulare e dei gruppi carbossilici caricati negativamente interstizio. Di conseguenza, la reattività dei neuroni aumenta, man mano che il PP si avvicina a E cr, inoltre inizia l'attivazione dei canali Na +. In risposta all'arrivo del minimo impulso, i neuroni iniziano a generare AP in grandi quantità, che si manifestano in contrazioni convulse dei muscoli scheletrici. In questo caso, anche i neuroni del sistema nervoso centrale e le fibre nervose possono scaricarsi spontaneamente.

Fenomeni di traccia nel processo di eccitazione cellulare. Alla fine dell'AP, ad esempio nel muscolo scheletrico, si osserva spesso un rallentamento della ripolarizzazione, un potenziale di traccia negativo (Fig. 2a).

Riso. 2. AP di due cellule: a - rallentamento della fase di ripolarizzazione; b - fenomeni in tracce: 1 - iperpolarizzazione in tracce; 2 - depolarizzazione in tracce

Successivamente si può registrare l'iperpolarizzazione della membrana cellulare, che è più tipica delle cellule nervose (Fig. 2, b, 1). Questo fenomeno è chiamato potenziale di traccia positivo. Successivamente può verificarsi una depolarizzazione parziale della membrana cellulare, chiamata anche potenziale traccia negativo (Fig. 2, b, 2), come nel caso di un rallentamento della fase di ripolarizzazione. Dopo l'AP non si verificano potenziali, ma fenomeni di traccia: prima un'iperpolarizzazione della traccia e poi una depolarizzazione della traccia. Inoltre, i fenomeni in tracce si verificano dopo il completo ripristino del potenziale di membrana al livello iniziale, ma non come risultato di un rallentamento della fase di ripolarizzazione, che è una delle fasi AP. Nei muscoli cardiaci e lisci si osserva anche una ripolarizzazione lenta: un plateau, ma a un livello più alto.

L'iperpolarizzazione delle tracce della membrana cellulare (Fig. 2, b, 1) è solitamente una conseguenza dell'aumentata permeabilità della membrana cellulare al K +, che è ancora presente, è caratteristica dei neuroni. La porta di attivazione dei canali del K+ non è ancora completamente chiusa, quindi il K+ continua a lasciare la cellula secondo il gradiente di concentrazione, il che porta all'iperpolarizzazione della membrana cellulare. A poco a poco, la permeabilità della membrana cellulare ritorna al suo stato originale (le porte del sodio e del potassio ritornano al loro stato originale) e il potenziale della membrana diventa lo stesso di prima che la cellula fosse eccitata. La pompa Na+/K+ non è direttamente responsabile delle fasi del potenziale d'azione, anche se continua a funzionare durante lo sviluppo di AP: gli ioni si muovono a velocità enorme secondo concentrazione e gradienti parzialmente elettrici.

Anche la depolarizzazione delle tracce (Fig. 2b, 2) è caratteristica dei neuroni, ma può essere registrata anche nelle cellule muscolari scheletriche. Il meccanismo di depolarizzazione delle tracce non è stato sufficientemente studiato. Forse è associato ad un aumento a breve termine della permeabilità della membrana cellulare al Na + e al suo ingresso nella cellula in base alla concentrazione e ai gradienti elettrici.

Potenziale di membrana (MP)- la differenza di potenziale tra la faccia esterna e quella interna della membrana in stato di riposo fisiologico.

Cause di MP:

1. distribuzione ineguale degli ioni su entrambi i lati della membrana: all'interno c'è più K+, all'esterno ce n'è poco, ma più Na+ e Cl. Questa distribuzione degli ioni è chiamata asimmetria ionica.

2. permeabilità selettiva della membrana agli ioni. A riposo la membrana non è ugualmente permeabile.

A causa di questi fattori, si creano le condizioni per il movimento degli ioni. Questo movimento avviene senza dispendio energetico attraverso il trasporto passivo a causa della differenza nella concentrazione di ioni.

Gli ioni K lasciano la cellula e aumentano la carica positiva sulla superficie esterna della membrana. Cl - passa passivamente nella cellula, il che porta ad un aumento della carica positiva sulla superficie esterna della membrana. Il Na si accumula sulla superficie esterna della membrana e aumenta la carica “+”. I composti organici rimangono all'interno della cellula.

Come risultato di questo movimento, la superficie esterna della membrana è caricata “+” e la superficie interna è “-”. La superficie interna può essere caricata “-”, ma è sempre carica negativamente rispetto alla superficie esterna. Questo stato è chiamato polarizzazione.

Il movimento degli ioni continua finché la differenza di potenziale non è bilanciata, cioè fino al raggiungimento dell’equilibrio elettrochimico.

Il momento di equilibrio dipende da due forze:

2. La forza dell'interazione elettrochimica.

Valore di equilibrio elettrochimico:

3. mantenimento dell'asimmetria ionica

4. mantenere il potenziale di membrana a un livello costante.

La presenza di un campo magnetico con la partecipazione di due forze è chiamata concentrazione elettrochimica.

Per mantenere la simmetria ionica dell'equilibrio elettrochimico, la cella ha una pompa Na-K. Nella membrana cellulare esiste un sistema di trasportatori, ciascuno dei quali lega 3Na, che si trovano all'esterno, e all'interno il trasportatore lega 2K e lo trasporta all'interno della cellula. In questo caso viene consumata 1 molecola di ATP.

Il funzionamento della pompa Na-K garantisce:

1. alta concentrazione di K all'interno della cellula, cioè potenziale di riposo costante

2. bassa concentrazione di Na all'interno della cellula, cioè vengono mantenuti l'osmolarità e il volume cellulare normali, creando le basi per la generazione della PD.

3. gradiente di concentrazione stabile di Na, che promuove il trasporto di aminoacidi e zuccheri.

MP è normale: per i muscoli lisci -30 - (-70) mV, per i nervi -50 - (-70) mV, per il miocardio -60 - (-90) mV.

Potenziale d'azione (AP)- uno spostamento del potenziale di riposo che si verifica nel tessuto sotto l'azione di uno stimolo di soglia e soprasoglia, che è accompagnato dalla ricarica della membrana.

Sotto l'azione degli stimoli soglia e soprasoglia, cambia la permeabilità della membrana cellulare agli ioni. Poiché il Na aumenta di 450 volte e il gradiente aumenta rapidamente. Per K aumenta di 10-15 volte e il gradiente si sviluppa lentamente. Di conseguenza, il Na entra nella cellula, il K esce dalla cellula, il che porta alla ricarica della membrana cellulare.

Fasi:

0. Risposta locale (depolarizzazione locale) che precede lo sviluppo di AP.

1. Fase di depolarizzazione. Durante questa fase, gli MP diminuiscono rapidamente e raggiungono il livello zero. Il livello di depolarizzazione aumenta sopra 0. Pertanto, la membrana acquisisce la carica opposta: diventa positiva all'interno e negativa all'esterno. Il fenomeno della variazione della carica della membrana è chiamato inversione del potenziale di membrana. La durata di questa fase nelle cellule nervose e muscolari è di 1-2 ms.

2. Fase di ripolarizzazione. Inizia quando viene raggiunto un certo livello MP (circa +20 mV). Il potenziale di membrana inizia a ritornare rapidamente al potenziale di riposo. La durata della fase è di 3-5 ms.

3. Fase di depolarizzazione in tracce o potenziale negativo in tracce. Il periodo in cui il ritorno delle MP al potenziale di riposo è temporaneamente ritardato. Dura 15-30 ms.

4. Fase di iperpolarizzazione della traccia o potenziale positivo della traccia. Durante questa fase, gli MP diventano per qualche tempo superiori al livello iniziale di PP. La sua durata è di 250-300 ms.

La comparsa del PD è dovuta a cambiamento nella permeabilità ionica della membrana dopo l'eccitazione. Durante il periodo di risposta locale, i canali lenti del sodio si aprono, mentre quelli veloci rimangono chiusi e si verifica una depolarizzazione spontanea temporanea. Quando l'MP raggiunge un livello critico, il cancello di attivazione chiuso dei canali del sodio si apre e gli ioni sodio si riversano nella cellula come una valanga, causando una crescente depolarizzazione. Durante questa fase si aprono sia i canali del sodio veloci che quelli lenti. Quelli. la permeabilità al sodio della membrana aumenta notevolmente. Inoltre il valore del livello critico di depolarizzazione dipende dalla sensibilità di quelli di attivazione; più è alto, più basso è il CUD e viceversa.

Quando l'entità della depolarizzazione si avvicina al potenziale di equilibrio degli ioni sodio (+20 mV), la forza del gradiente di concentrazione del sodio diminuisce significativamente. Allo stesso tempo inizia il processo di inattivazione dei canali veloci del sodio e una diminuzione della conduttività del sodio della membrana. La depolarizzazione si ferma. La produzione di ioni di potassio aumenta notevolmente, ad es. corrente in uscita del potassio. In alcune cellule ciò si verifica a causa dell'attivazione di speciali canali di corrente verso l'esterno del potassio. Questa corrente, diretta fuori dalla cellula, serve a spostare rapidamente la MP al livello del potenziale di riposo. Quelli. inizia la fase di ripolarizzazione. Un aumento di MP porta alla chiusura delle porte di attivazione dei canali del sodio, che riduce ulteriormente la permeabilità al sodio della membrana e accelera la ripolarizzazione.

Il verificarsi della fase di depolarizzazione in tracce è spiegato dal fatto che una piccola parte dei canali lenti del sodio rimane aperta.

L'iperpolarizzazione delle tracce è associata ad un aumento, dopo PD, della conduttività del potassio della membrana e al fatto che funziona più attivamente pompa sodio-potassio, che rimuove gli ioni sodio entrati nella cellula durante l'AP.

La relazione tra le fasi del potenziale d'azione e l'eccitabilità.

Il livello di eccitabilità cellulare dipende dalla fase AP. Durante la fase di risposta locale, l'eccitabilità aumenta. Questa fase di eccitabilità è chiamata addizione latente.

Durante la fase di ripolarizzazione AP, quando tutti i canali del sodio si aprono e gli ioni sodio si riversano nella cellula come una valanga, nessuno stimolo, nemmeno molto forte, può stimolare questo processo. Pertanto la fase di depolarizzazione corrisponde ad una fase di completa ineccitabilità o assoluta refrattarietà.

Durante la fase di ripolarizzazione una parte crescente dei canali del sodio si chiude. Tuttavia, possono riaprirsi sotto l’influenza di uno stimolo soprasoglia. Quelli. l'eccitabilità ricomincia a salire. Ciò corrisponde ad una fase di relativa ineccitabilità o relativa refrattarietà.

Durante la depolarizzazione delle tracce, l'MP è a un livello critico, quindi anche gli stimoli sottosoglia possono causare eccitazione cellulare. Di conseguenza, in questo momento la sua eccitabilità aumenta. Questa fase è chiamata fase di esaltazione o eccitabilità sopranormale.

Al momento dell'iperpolarizzazione della traccia, l'MP è superiore al livello iniziale, cioè ulteriore CUD e la sua eccitabilità si riduce. È in una fase di eccitabilità subnormale. Riso. Va notato che il fenomeno dell'accomodamento è anche associato ad un cambiamento nella conduttività dei canali ionici. Se la corrente depolarizzante aumenta lentamente, ciò porta alla parziale inattivazione del sodio e all'attivazione dei canali del potassio. Pertanto, lo sviluppo del PD non si verifica.

La forma del potenziale d'azione ci consente di dividere il processo della sua generazione in più fasi: pre-spike, depolarizzazione rapida, ripolarizzazione e potenziali in traccia (Fig. 2.3).

Riso. 2.3.

Pre-picco - Si tratta di un processo di lenta depolarizzazione della membrana, che inizia con la prima deviazione dal potenziale di riposo e termina con il raggiungimento del KUD. Il pre-spike prevede una depolarizzazione passiva della membrana e una risposta locale attiva. Una risposta attiva si verifica quando la depolarizzazione passiva della membrana raggiunge il 70-80% dei valori ADC ed è la prima manifestazione dell'incipiente stato attivo della membrana - l'inizio della sua eccitazione. Grazie alla depolarizzazione passiva e ad una risposta attiva locale, lo spostamento di potenziale sulla membrana raggiunge un livello critico di depolarizzazione, al quale si sviluppa l'AP stesso.

Fase veloce(come una valanga) depolarizzazione membrana è la prima fase della PD. In questa fase, il potenziale di membrana passa rapidamente dal livello critico di depolarizzazione a zero e continua a spostarsi fino al picco G1D, ricaricando la membrana. Durante la prima fase di AP, il potenziale sulla membrana è “pervertito”, cioè la membrana si scarica a zero e si ricarica con segno opposto. Viene chiamata la sezione PD con valori da zero al picco di ricarica superato(Inglese, superamento) potenziale. Invece di valori negativi, il potenziale sulla membrana diventa positivo. Nell'assone del calamaro gigante, il picco AP raggiunge valori dell'ordine di +50 mV e la fase di depolarizzazione con overshoot dura circa 0,5 ms.

Fase ripolarizzazioneè la seconda fase del PD. Durante questa fase il potenziale di membrana ritorna al suo valore originale, cioè al potenziale di riposo. Questa fase può essere suddivisa in una ripolarizzazione veloce da +50 mV a 0 V e una ripolarizzazione più lenta da 0 V a KUD e successivamente al potenziale di riposo. La fase di ripolarizzazione dura 1-2 ms.

Traccia potenziali può in alcuni casi svilupparsi alla fine dell'AP sotto forma di lenta depolarizzazione o addirittura di lenta iperpolarizzazione. L'iperpolarizzazione delle tracce si osserva, in particolare, sulla membrana dell'assone gigante del calamaro.

Natura ionica delle fasi del potenziale d'azioneè stato studiato in esperimenti sugli assoni di calamari giganti da Hodgkin e Huxley. Si è scoperto che al momento della generazione dell'AP, la resistenza elettrica della membrana dell'assone per un periodo di 1-2 ms diminuisce di 20-30 volte, vale a dire La conduttività della membrana aumenta notevolmente e la corrente inizia a fluire attraverso la membrana. Ma che corrente è questa? Si è scoperto che se i cationi Na + vengono rimossi dalla soluzione esterna e sostituiti con saccarosio, l'ampiezza del potenziale d'azione diminuisce drasticamente o l'AP non si verifica affatto. Ciò ha permesso di concludere che la ragione principale per la generazione di AP e la ricarica della membrana a valori positivi è l'elevata permeabilità della membrana ai cationi sodio e il rapido ingresso di questi cationi nella cellula.

Il movimento verso l'interno del sodio avviene sotto l'influenza di due forze. La prima forza è associata alla presenza di un gradiente di concentrazione transmembrana di cationi sodio. La concentrazione di sodio nella soluzione esterna è 20-30 volte superiore a quella interna, ad es. il gradiente di concentrazione del Na+ è diretto all'interno della cellula e, se c'è sufficiente permeabilità, i cationi sodio entreranno rapidamente nella cellula. La seconda forza è associata alla presenza di una grande carica negativa sul lato interno della membrana (circa -70 mV). La carica negativa all'interno della membrana consentirà ai cationi di sodio caricati positivamente di entrare nella cellula. Entrando, i cationi di sodio ridurranno prima rapidamente la carica negativa della membrana a zero, quindi ricaricheranno la membrana a valori positivi, avvicinando il potenziale di membrana al potenziale di equilibrio per Na +. Ricordiamo che il potenziale di equilibrio per i cationi Na" può essere calcolato utilizzando l'equazione di Nernst ed è +55 mV per l'assone gigante del calamaro.

La partecipazione della corrente di sodio in entrata nella creazione della fase di depolarizzazione dell'AP è supportata dai risultati di esperimenti con tetrodotossina, un bloccante della permeabilità al sodio voltaggio-dipendente. La tetrodotossina è in grado di bloccare completamente lo sviluppo della G1D (Fig. 2.4, UN).

Riso. 2.4. Cambiamenti nella PD derivanti dall'azione dei bloccanti selettivi della permeabilità del sodio - tetrodotossina (I) o della permeabilità del potassio - tetraegilammonio sulla membrana (B)

Pertanto, l'ipotesi del sodio spiega in modo soddisfacente lo sviluppo della fase di depolarizzazione di AP, ma lascia aperta la questione delle cause della riolarizzazione, vale a dire Fase AP, che porta al ritorno del potenziale di membrana al livello del potenziale di riposo. È stato suggerito che sulla membrana si sviluppi un altro processo: aumenta la sua permeabilità agli ioni di potassio. Era chiaro che si trattava di una speciale permeabilità attiva del potassio, diversa dalla permeabilità passiva del potassio che esiste nella membrana a riposo (perdita passiva di potassio). Un'ulteriore permeabilità della membrana al potassio si verifica solo in risposta alla depolarizzazione della membrana a un livello critico e con un leggero ritardo rispetto all'aumento della permeabilità al sodio. In caso di tale permeabilità attiva aggiuntiva al potassio, i cationi K* iniziano a lasciare la cellula sotto l'influenza di un gradiente di concentrazione e di una carica sulla membrana creata dall'ingresso anticipato dei cationi sodio. I cationi Na+ in entrata caricano positivamente il lato interno della membrana e negativamente il lato esterno. La corrente aggiuntiva in uscita dei cationi di potassio ridurrà la carica positiva creata dalla corrente di sodio all'interno della cellula e riporterà la carica elettrica sulla membrana ai suoi valori originali, cioè al potenziale di riposo.

La partecipazione della corrente di potassio in uscita nella creazione della fase di ripolarizzazione di AP è stata supportata dai risultati di esperimenti utilizzando un bloccante della permeabilità attiva del potassio: il tetraetilammonio. Il tetraetilammonio rallenta bruscamente la fase di ripolarizzazione di AP (Fig. 2.4, B).

Se AP è il risultato della comparsa e dello sviluppo di due nuove correnti ioniche sulla membrana che non erano presenti a riposo, vale a dire le correnti di sodio e potassio, allora, di conseguenza, dopo la depolarizzazione, sulla membrana si aprono nuovi canali ionici attivati ​​dal voltaggio. Questi canali conducono prima il sodio e poi il potassio. Le proprietà di tali canali possono essere comprese analizzando lo sviluppo delle correnti che si presentano durante il loro funzionamento. Ma queste correnti devono essere registrate “nella loro forma pura”, cioè non complicato da cambiamenti simultanei nel potenziale di membrana e nelle correnti di membrana capacitive. A questo scopo, Hodgkin e Huxley, nei loro esperimenti sugli assoni di calamari giganti, utilizzarono per la prima volta il metodo di fissaggio del potenziale sulla membrana (Ing. pinza di tensione).

Metodo di fissazione del potenziale di membrana consiste nel collegare due amplificatori alla membrana assonale del sistema. Un amplificatore è progettato per registrare gli spostamenti del potenziale di membrana, il secondo funziona secondo il principio del feedback negativo. Due microelettrodi a filo vengono inseriti nell'assone. Uno di essi misura gli spostamenti del potenziale di membrana e li trasmette ad un amplificatore a feedback negativo. Questo amplificatore (monitoraggio dei potenziali spostamenti sulla membrana e generazione di correnti) è collegato in uscita al secondo microelettrodo intracellulare, quello attuale. Attraverso questo microelettrodo verrà fornita una corrente, che può essere misurata nel circuito esterno di un elettrodo indifferente situato all'esterno dell'assone.

Se ora depolarizziamo artificialmente la membrana in CUD, in risposta, le correnti attivate dalla tensione iniziano a fluire attraverso la membrana eccitata: sodio e potassio. Gli spostamenti nel potenziale di membrana creati da queste correnti vengono immediatamente monitorati utilizzando un amplificatore di feedback, che invia correnti di uguale ampiezza ma direzioni opposte attraverso il microelettrodo di corrente: si verifica il feedback. Tali "correnti di bloccaggio" mantengono (fissano) la membrana da potenziali spostamenti e sono essenzialmente un'immagine speculare delle correnti Na + - e K + -. Le correnti di bloccaggio possono essere facilmente misurate nel circuito esterno del circuito (Fig. 2.5).

Riso. 2.5.

(morsetto di tensione):

Utilizzando un amplificatore di retroazione, l'elettrodo di corrente trasmette una corrente di bloccaggio, che è un'immagine speculare delle correnti transmembrana

Nella fig. La Figura 2.6 mostra i dati ottenuti utilizzando il metodo di fissazione potenziale. Quando la membrana viene depolarizzata da -65 a -9 mV, la membrana viene eccitata, cosa che è accompagnata dalla generazione di una corrente bifasica. Si può vedere che prima appare una corrente in ingresso veloce, che svanisce e viene sostituita da una corrente in uscita a sviluppo più lento. Si è scoperto che la corrente in ingresso può essere completamente bloccata utilizzando la tetrodotossina, un bloccante selettivo dei canali del sodio voltaggio-dipendenti. Ne consegue che la corrente in ingresso è una corrente di sodio.

La corrente in uscita, che si è formata anche in risposta alla depolarizzazione, viene conservata e rilevata nella sua forma pura. Questa corrente si sviluppa con un leggero ritardo, aumenta più lentamente, ma non si attenua e persiste per tutto il tempo di depolarizzazione. È completamente bloccato dal tetraetilammonio, bloccante dei canali del potassio attivato dal voltaggio, e quindi rappresenta una corrente K + attivata dal voltaggio. Pertanto, utilizzando il metodo del potenziale clamp e l'uso di bloccanti selettivi delle correnti di sodio e potassio, è stato possibile separare e identificare separatamente due correnti che si presentano durante la generazione di AP, mostrare la loro indipendenza l'una dall'altra e analizzarle ciascuna.

Riso. 2.6.

UN - spostando il potenziale di membrana di 56 mV e fissandolo a -9 mV;

6 - corrente bifasica (early in e late out) in risposta al potenziale clamping a -9 mV; V- separazione farmacologica di due correnti utilizzando bloccanti del sodio (tetrodotossina) e del potassio (tetraetilammonio)

Biopotenziali.

Concetto e tipologie di biopotenziali. La natura dei biopotenziali.

La causa del potenziale di riposo. Potenziale di Goldman stazionario.

Condizioni di occorrenza e fasi del potenziale d'azione.

Meccanismo di generazione del potenziale d'azione.

Metodi di registrazione e studio sperimentale dei biopotenziali.

Concetti e tipologie di biopotenziali. La natura dei biopotenziali.

Biopotenziali– eventuali differenze potenziali nei sistemi viventi: differenza di potenziale tra cellula e ambiente; tra aree eccitate e non eccitate della cellula; tra aree dello stesso organismo che si trovano in stati fisiologici diversi.

Differenza di potenziale-gradiente elettrico- una caratteristica di tutti gli esseri viventi.

Tipi di biopotenziali:

Potenziale di riposo(PP) è una differenza potenziale che esiste costantemente nei sistemi viventi, caratteristica dello stato stazionario del sistema. È supportato da componenti metabolici che fluiscono costantemente.

Potenziale d'azione(PD) è una differenza di potenziale che appare rapidamente e poi scompare, caratteristica dei processi transitori.

I biopotenziali sono strettamente correlati ai processi metabolici, quindi lo sono indicatori dello stato fisiologico del sistema.

L'entità e la natura dei biopotenziali sono indicatori di cambiamenti nella cellula in condizioni normali e patologiche.

C'è un gruppo numeroso Metodi diagnostici elettrofisiologici basato sulla registrazione dei biopotenziali (ECG, EMG, ecc.).

L'origine dei biopotenziali si basa sulla distribuzione asimmetrica degli ioni rispetto alla membrana, cioè diverse concentrazioni di ioni sui diversi lati della membrana. Causa immediata– diverse velocità di diffusione degli ioni lungo i loro gradienti, determinate dalla selettività della membrana.

Biopotenziali– potenziali ionici, prevalentemente di natura di membrana – questa è la posizione principale Teoria di membrana dei biopotenziali(Bernstein, Hodgkin, Katz).

La causa del potenziale di riposo. Potenziale di Goldman stazionario.

Pompa del sodio: crea e mantiene un gradiente di concentrazione di ioni sodio e ioni potassio, regolando il loro ingresso e uscita dalla cellula.

A riposo la cellula è permeabile principalmente agli ioni potassio. Si diffondono lungo un gradiente di concentrazione attraverso la membrana cellulare dalla cellula al fluido circostante. I grandi anioni organici contenuti nella cellula non possono attraversare la membrana. Pertanto, la superficie esterna della membrana è caricata positivamente e la superficie interna è caricata negativamente.

La variazione delle cariche e della differenza di potenziale sulla membrana continua finché le forze che causano il gradiente di concentrazione di potassio non vengono bilanciate dalle forze del campo elettrico risultante, pertanto si raggiunge uno stato stazionario del sistema.

La differenza di potenziale attraverso la membrana in questo caso è: potenziale di riposo.

La seconda ragione per la comparsa del potenziale di riposo è l'elettrogenicità della pompa potassio-sodio.

Definizione teorica del potenziale di riposo:

Prendendo in considerazione solo la permeabilità al potassio della membrana a riposo, è possibile calcolare il potenziale di riposo Equazione di Nernst:

R – costante universale dei gas

T – temperatura assoluta

F – Numero di Faraday

CON iK– concentrazione di potassio all’interno della cellula

C eK– concentrazione di potassio all’esterno della cellula

Infatti, oltre agli ioni potassio, la membrana cellulare è permeabile anche agli ioni sodio e cloro, ma in misura minore. Se un gradiente di sodio entra nella cellula, il potenziale di membrana diminuisce. Se nella cellula entra un gradiente di cloro, il potenziale di membrana aumenta.

, Dove

P– permeabilità della membrana per un dato ione.

Condizioni di occorrenza e fasi del potenziale d'azione.

Irritanti– fattori esterni o interni che agiscono sulla cellula.

Quando gli stimoli agiscono su una cellula, lo stato elettrico della membrana cellulare cambia.

Un potenziale d'azione si verifica solo quando viene applicato uno stimolo di forza e durata sufficienti.

Forza di soglia– la forza minima dello stimolo richiesta per avviare un potenziale d’azione. Irritanti di maggiore forza - soprasoglia; meno forza - subliminale. La forza soglia dello stimolo è inversamente proporzionale alla sua durata entro certi limiti.

Se uno stimolo di intensità soprasoglia o di soglia produce un impulso elettrico di forma caratteristica nel sito di irritazione, propagandosi lungo l'intera membrana, allora un potenziale d'azione.

Fasi del potenziale d'azione:

In aumento - depolarizzazione

Discendente – ripolarizzazione

Iperpolarizzazione(possibile, ma non obbligatorio)

- potenziale citoplasmatico

- azione dello stimolo (forza (sopra) soglia)

d – depolarizzazione

p – ripolarizzazione

d – iperpolarizzazione

Fase di depolarizzazione– ricarica rapida della membrana: carica positiva all’interno, carica negativa all’esterno.

Fase di ripolarizzazione– ritorno della carica e del potenziale della membrana al livello originale.

Fase di iperpolarizzazione– un temporaneo superamento del livello di riposo, precedente al ripristino del potenziale di riposo.

L'ampiezza del potenziale d'azione supera notevolmente l'ampiezza del potenziale di riposo - " superato"(volo).

Meccanismo di generazione del potenziale d'azione.

Potenziale d'azione– il risultato di una variazione della permeabilità ionica della membrana.

Permeabilità della membrana per gli ioni sodio è una funzione diretta del potenziale di membrana. Se il potenziale di membrana diminuisce, aumenta la permeabilità al sodio.

Azione dello stimolo soglia: diminuzione del potenziale di membrana a un valore critico (depolarizzazione critica della membrana) → un forte aumento della permeabilità al sodio → aumento dell'afflusso di sodio nella cellula lungo il gradiente → ulteriore depolarizzazione della membrana → il processo procede in cicli → un feedback positivo il meccanismo è attivato. Il maggiore afflusso di sodio nella cellula fa sì che la membrana si ricarichi e termini la fase di depolarizzazione. La carica positiva sulla superficie interna della membrana diventa sufficiente a bilanciare il gradiente di concentrazione degli ioni sodio. L'aumento dell'apporto di sodio nella cellula termina, quindi termina la fase di depolarizzazione.

P K:P Na:P Cl a riposo 1: 0,54: 0,045,

al culmine della fase di depolarizzazione: 1: 20: 0,045.

Durante la fase di depolarizzazione la permeabilità della membrana per gli ioni potassio e cloro non cambia, ma per gli ioni sodio aumenta di 500 volte.

Fase di ripolarizzazione: aumenta la permeabilità della membrana per gli ioni potassio → aumento del rilascio di ioni potassio dalla cellula lungo il gradiente di concentrazione → diminuzione della carica positiva sulla superficie interna della membrana, cambiamento inverso del potenziale di membrana → diminuzione della permeabilità al sodio → ricarica inversa della membrana → diminuzione della permeabilità al potassio, rallentamento del deflusso del potassio dalla cellula.

Al termine della fase di ripolarizzazione, il potenziale di riposo viene ripristinato. Il potenziale di membrana e la permeabilità della membrana agli ioni potassio e sodio ritornano ai livelli di riposo.

Fase di iperpolarizzazione: si verifica se la permeabilità della membrana per gli ioni potassio è ancora aumentata, ma per gli ioni sodio è già tornata al livello di riposo.

Riepilogo:

Il potenziale d'azione è formato da due flussi di ioni attraverso la membrana. Il flusso di ioni sodio nella cellula → ricarica della membrana. Flusso di ioni potassio verso l'esterno → ripristino del potenziale di riposo. I flussi sono quasi identici in grandezza, ma spostati nel tempo.

La diffusione degli ioni attraverso la membrana cellulare durante la generazione di un potenziale d'azione avviene attraverso canali altamente selettivi, vale a dire hanno una maggiore permeabilità per un dato ione (aprendo canali aggiuntivi per esso).

Quando viene generato un potenziale d'azione, la cellula acquista una certa quantità di sodio e perde una certa quantità di potassio. L'equalizzazione delle concentrazioni di questi ioni tra la cellula e l'ambiente non avviene a causa della pompa potassio-sodio.

Metodi di registrazione e studio sperimentale dei biopotenziali .

1. Piombo intracellulare.

Un elettrodo è immerso nel fluido intercellulare, l'altro (microelettrodo) è inserito nel citoplasma. Tra di loro c'è un dispositivo di misurazione.

Il microelettrodo è un tubo cavo, la cui punta è estesa fino a una frazione di micron di diametro e la pipetta è riempita di cloruro di potassio. Quando viene inserito un microelettrodo, la membrana copre strettamente la punta e non si verifica quasi alcun danno cellulare.

Per creare un potenziale d'azione in un esperimento, la cellula viene stimolata da correnti soprasoglia, cioè un'altra coppia di elettrodi è collegata a una sorgente di corrente. Al microelettrodo viene applicata una carica positiva.

Con il loro aiuto è possibile registrare i biopotenziali delle cellule grandi e piccole, nonché i biopotenziali dei nuclei. Ma l'oggetto di ricerca classico più conveniente sono i biopotenziali delle grandi cellule. Per esempio,

Nitella PP 120 mV (120*10 3 V)

Assone gigante di calamaro PP 60mV

Cellule miocardiche umane PP 90 mV

2. Fissazione della tensione sulla membrana.

Ad un certo punto lo sviluppo del potenziale d'azione viene interrotto artificialmente mediante appositi circuiti elettronici.

In questo caso vengono registrati il ​​valore del potenziale di membrana e l'entità dei flussi ionici attraverso la membrana in un dato momento, pertanto è possibile misurarli.

3. Perfusione delle fibre nervose.

La perfusione è la sostituzione dell'oxoplasma con soluzioni artificiali di diversa composizione ionica. Pertanto, è possibile determinare il ruolo di uno ione specifico nella generazione di biopotenziali.

Condurre l'eccitazione lungo le fibre nervose.

Il ruolo del potenziale d'azione nella vita.

A proposito di assoni.

Teoria della conduzione via cavo.

Direzione e velocità di attuazione.

Conduzione continua e saltatoria.

Il ruolo del potenziale d'azione nella vita .

Irritabilità– la capacità delle cellule viventi sotto l’influenza di stimoli (alcuni fattori dell’ambiente esterno o interno) di passare da uno stato di riposo a uno stato di attività. In questo caso lo stato elettrico della membrana cambia sempre.

Eccitabilità– la capacità delle cellule eccitabili specializzate in risposta all’azione di uno stimolo di generare una speciale forma di oscillazione del potenziale di membrana – potenziale d'azione.

In linea di principio sono possibili diversi tipi di risposta delle cellule eccitabili alla stimolazione, in particolare una risposta locale e un potenziale d'azione.

Potenziale d'azione si verifica quando c'è uno stimolo soglia o soprasoglia. Fa sì che il potenziale di membrana diminuisca fino a un livello critico. Quindi si verifica l'apertura di ulteriori canali del sodio, un forte aumento della permeabilità al sodio e lo sviluppo del processo secondo il meccanismo di feedback positivo.

Risposta locale si verifica se è presente uno stimolo sottosoglia pari al 50-70% della soglia. In questo caso, la depolarizzazione della membrana è meno che critica, si verifica solo un leggero aumento a breve termine della permeabilità al sodio, il meccanismo di feedback positivo non si attiva e il potenziale ritorna rapidamente al suo stato originale.

Durante lo sviluppo del potenziale d'azione, l'eccitabilità cambia.

Diminuzione dell’eccitabilità – relativa refrattarietà.

Perdita completa di eccitabilità - refrattarietà assoluta.

COME avvicinandosi al livello di depolarizzazione critica l'eccitabilità aumenta, poiché per raggiungere questo livello e sviluppare un potenziale d'azione, diventa sufficiente una piccola variazione del potenziale di membrana. Questo è esattamente il modo in cui cambia l'eccitabilità all'inizio della fase di depolarizzazione, così come durante la risposta locale della cellula alla stimolazione.

A rimozione del potenziale di membrana dal punto critico l'eccitabilità diminuisce. Al culmine della fase di depolarizzazione, quando la cellula non può più rispondere alla stimolazione aprendo ulteriori canali del sodio, si verifica uno stato di assoluta refrattarietà.

COME ripolarizzazione la refrattarietà assoluta è sostituita da quella relativa; al termine della fase di ripolarizzazione, l'eccitabilità aumenta nuovamente (uno stato di “supernormalità”).

Durante la fase di iperpolarizzazione l'eccitabilità viene nuovamente ridotta.

Eccitazione– la risposta di cellule specializzate all’azione degli stimoli soglia e soprasoglia è un complesso complesso di cambiamenti fisico-chimici e fisiologici, che si basa sul potenziale d’azione.

Il risultato dell'eccitazione dipende dal tessuto in cui si è sviluppato (dove è sorto il potenziale d'azione).

I tessuti eccitabili specializzati includono:

• muscolare

  ghiandolare

I potenziali d'azione assicurano la conduzione dell'eccitazione lungo le fibre nervose e avviano i processi di contrazione muscolare e secrezione delle cellule ghiandolari.

Il potenziale d'azione generato in una fibra nervosa è impulso nervoso.

A proposito di assoni.

Assoni(fibre nervose) sono lunghi processi di cellule nervose (neuroni).

Vie afferenti– dai sensi al sistema nervoso centrale

Vie efferenti– dal sistema nervoso centrale ai muscoli.

Lunghezza– metri.

Diametro in media da 1 a 100 µm (nell'assone del calamaro gigante - fino a 1 mm).

In base alla presenza o assenza della guaina mielinica si distinguono gli assoni:

mielinizzato(mielina, polposa) – c'è una guaina mielinica

non mielinizzato(amielinosi, senza polpa) - non hanno guaine mieliniche

Guaina mielinica– un’ulteriore membrana multistrato (fino a 250 strati) che circonda l’assone, formata quando l’assone penetra in una cellula di Schwann (lemmociti, oligodendrociti) e la membrana di questa cellula viene ripetutamente avvolta attorno all’assone.

Mielina– un ottimo isolante.

Ogni 1-2 mm la guaina mielinica viene interrotta Intercettazioni di Ranvier, ciascuno lungo circa 1 µm.

Solo nella zona delle intercettazioni la membrana eccitabile entra in contatto con l'ambiente esterno.

Teoria della conduzione via cavo.

Un assone è simile a un cavo in una serie di proprietà: è un tubo cavo, il contenuto interno è l'assoplasma - un conduttore (come il fluido intercellulare), la parete è una membrana - un isolante.

Meccanismo di eccitazione(propagazione di un impulso nervoso) comprende 2 fasi:

L'emergere di correnti locali e la propagazione delle onde di depolarizzazione lungo la fibra.

Formazione di potenziali d'azione in nuove aree della fibra.

Correnti locali circolano tra le aree eccitate e non eccitate della fibra nervosa a causa della diversa polarità della membrana in queste aree.

All'interno della cellula scorrono dalla zona eccitata a quella non eccitata. All’esterno è il contrario.

Corrente locale provoca uno spostamento del potenziale di membrana della sezione adiacente e l'onda di depolarizzazione inizia a propagarsi lungo la fibra, come una corrente attraverso un cavo.

Quando la depolarizzazione della sezione successiva raggiunge un valore critico, si aprono ulteriori canali del sodio e poi del potassio e si verifica un potenziale d'azione.

In diverse parti della fibra, il potenziale d'azione è formato da flussi ionici indipendenti perpendicolari alla direzione di propagazione.

Allo stesso tempo, in ogni sito c'è fornitura energetica del processo, poiché i gradienti di ioni che fluiscono attraverso i canali sono creati da pompe, il cui funzionamento è fornito dall'energia dell'idrolisi dell'ATP.

Il ruolo delle correnti locali- solo l'avvio del processo depolarizzando sempre più sezioni della membrana fino a un livello critico.

Grazie all'apporto energetico, l'impulso nervoso si diffonde lungo la fibra nessuna attenuazione(con ampiezza costante).

Direzione e velocità di attuazione.

La conduzione unilaterale dell'impulso nervoso è assicurata da:

la presenza nel sistema nervoso di sinapsi con conduzione unilaterale

proprietà di refrattarietà della fibra nervosa, che rende impossibile invertire l'eccitazione

Velocità di conduzione quanto più alto, tanto più pronunciate sono le proprietà del cavo della fibra. Per valutarli usano costante di lunghezza delle fibre nervose:

, Dove

D– diametro della fibra

B M– spessore della membrana

- resistività di membrana

- resistenza specifica dell'assoplasma

Significato fisico della costante: è numericamente uguale alla distanza alla quale diminuirebbe il potenziale sottosoglia e una volta. All’aumentare della costante di lunghezza della fibra nervosa aumenta anche la velocità di conduzione.

Tra la superficie esterna della cellula ed il suo citoplasma a riposo esiste una differenza di potenziale di circa 0,06-0,09 V, e la superficie cellulare è carica elettropositivamente rispetto al citoplasma. Questa differenza potenziale si chiama potenziale di riposo o potenziale di membrana. La misurazione accurata del potenziale di riposo è possibile solo con l'aiuto di microelettrodi progettati per il drenaggio della corrente intracellulare, amplificatori molto potenti e strumenti di registrazione sensibili: gli oscilloscopi.

Il microelettrodo (Fig. 67, 69) è un sottile capillare di vetro, la cui punta ha un diametro di circa 1 micron. Questo capillare è riempito con soluzione salina, un elettrodo metallico è immerso in esso e collegato ad un amplificatore e ad un oscilloscopio (Fig. 68). Non appena il microelettrodo penetra la membrana che ricopre la cellula, il raggio dell'oscilloscopio viene deviato dalla sua posizione originale e stabilito ad un nuovo livello. Ciò indica la presenza di una differenza di potenziale tra la superficie esterna e quella interna della membrana cellulare.

L'origine del potenziale di riposo è spiegata nel modo più completo dalla cosiddetta teoria degli ioni di membrana. Secondo questa teoria, tutte le cellule sono ricoperte da una membrana che è inegualmente permeabile ai diversi ioni. A questo proposito, all'interno della cellula nel citoplasma ci sono 30-50 volte più ioni potassio, 8-10 volte meno ioni sodio e 50 volte meno ioni cloro che sulla superficie. A riposo, la membrana cellulare è più permeabile agli ioni potassio che agli ioni sodio. La diffusione degli ioni potassio caricati positivamente dal citoplasma alla superficie cellulare conferisce alla superficie esterna della membrana una carica positiva.

Pertanto, la superficie della cellula a riposo trasporta una carica positiva, mentre il lato interno della membrana risulta essere caricato negativamente a causa di ioni cloro, amminoacidi e altri grandi anioni organici che praticamente non penetrano nella membrana (Fig. 70 ).

Potenziale d'azione

Se una sezione di una fibra nervosa o muscolare è esposta a uno stimolo sufficientemente forte, in questa sezione si verifica l'eccitazione, manifestata in una rapida oscillazione del potenziale di membrana e chiamata potenziale d'azione.

Il potenziale d'azione può essere registrato utilizzando elettrodi applicati sulla superficie esterna della fibra (piombo extracellulare) o un microelettrodo inserito nel citoplasma (piombo intracellulare).

Con l'abduzione extracellulare si può riscontrare che la superficie della zona eccitata per un brevissimo periodo, misurato in millesimi di secondo, si carica elettronegativamente rispetto alla zona di riposo.

La ragione per la comparsa di un potenziale d'azione è un cambiamento nella permeabilità ionica della membrana. In caso di irritazione, aumenta la permeabilità della membrana cellulare agli ioni sodio. Gli ioni sodio tendono ad entrare nella cellula perché, in primo luogo, sono caricati positivamente e vengono attirati verso l'interno dalle forze elettrostatiche e, in secondo luogo, la loro concentrazione all'interno della cellula è bassa. A riposo, la membrana cellulare era scarsamente permeabile agli ioni sodio. L'irritazione ha cambiato la permeabilità della membrana e il flusso di ioni sodio caricati positivamente dall'ambiente esterno della cellula nel citoplasma supera significativamente il flusso di ioni potassio dalla cellula verso l'esterno. Di conseguenza, la superficie interna della membrana si carica positivamente e la superficie esterna si carica negativamente a causa della perdita di ioni sodio caricati positivamente. In questo momento si registra il picco del potenziale d'azione.

L'aumento della permeabilità della membrana agli ioni sodio dura per un tempo molto breve. Successivamente, nella cellula si verificano processi di riduzione, che portano al fatto che la permeabilità della membrana per gli ioni sodio diminuisce nuovamente e per gli ioni potassio aumenta. Poiché anche gli ioni potassio sono carichi positivamente, quando lasciano la cellula ripristinano il rapporto originario tra l'esterno e l'interno della cellula.

L'accumulo di ioni sodio all'interno della cellula durante l'eccitazione ripetuta non si verifica perché gli ioni sodio vengono costantemente evacuati da essa a causa dell'azione di uno speciale meccanismo biochimico chiamato “pompa del sodio”. Esistono anche prove di trasporto attivo di ioni potassio mediante la “pompa sodio-potassio”.

Secondo la teoria membrana-ione, quindi, la permeabilità selettiva della membrana cellulare è di decisiva importanza nell'origine dei fenomeni bioelettrici, la quale determina la diversa composizione ionica sulla superficie e all'interno della cellula, e, di conseguenza, la diversa carica degli ioni queste superfici. Va notato che molte disposizioni della teoria degli ioni di membrana sono ancora discutibili e richiedono ulteriori sviluppi.