У 1786 році професор анатомії Болонського університету Луїджі Гальвані провів ряд дослідів, що поклали початок цілеспрямованим дослідженням в області біоелектричних явищ. У першому досліді він підвішував препарат оголених лапок жаби з допомогою мідного гачка на залізних гратах, і виявив, що при кожному торканні м'язами грати, вони скорочувалися. Гальвані припустив, що скорочення м'язів взагалі - наслідок впливу на них «тваринної електрики», джерелом якого є нерви та м'язи. Однак, на думку Вольта, причиною скорочення був електричний струм, що виник в області контакту різнорідних металів. Гальвані поставив другий досвід, в якому джерелом струму, що діяв на м'яз, точно був нерв: м'яз знову скорочувалася. Таким чином, було отримано точний доказ існування «тваринної електрики».
Всі клітини мають свій електричний заряд, який формується в результаті неоднакової проникності мембрани для різних іонів. Клітини збудливих тканин (нервова, м'язова, залозиста) відрізняються тим, що вони під дією подразника змінюють проникність своєї мембрани для іонів, в результаті чого іони дуже швидко транспортуються згідно електрохімічного градієнту. Це і є процес збудження. Його основою є потенціал спокою.
Потенціал спокою
Потенціал спокою - відносно стабільна різниця електричних потенціалів між зовнішньою і внутрішньою сторонами клітинної мембрани. Його величина зазвичай варіює в межах від -30 до -90 мВ. Внутрішня сторона мембрани в спокої заряджена негативно, а зовнішня - позитивно через неоднакових концентрацій катіонів та аніонів всередині і поза клітиною.
Внутрішньо-і позаклітинні концентрації іонів (ммоль / л) у м'язових клітинах теплокровних тварин
У нервових клітинах схожа картина. Таким чином, видно, що основну роль у створенні негативного заряду всередині клітини відіграють іони K + і високомолекулярні внутрішньоклітинні аніони, головним чином вони представлені білковими молекулами з негативно зарядженими амінокислотами (глутамат, аспартат) і органічними фосфатами. Ці аніони, як правило, не можуть транспортуватися через мембрану, створюючи постійний негативний внутрішньоклітинний заряд. У всіх точках клітини негативний заряд практично однаковий. Заряд всередині клітини є негативним як абсолютно (в цитоплазмі аніонів більше, ніж катіонів), так і щодо зовнішньої поверхні клітинної мембрани. Абсолютна різниця невелика, однак цього достатньо для створення електричного градієнта.
Головним іоном, які забезпечують формування потенціалу спокою (ПП), є K +. В нерухомій клітці встановлюється динамічна рівновага між числом входять і виходять іонів K +. Ця рівновага встановлюється тоді, коли електричний градієнт врівноважить концентраційний. Відповідно до концентраційного градієнту, створюваному іонними насосами, K + прагне вийти з клітки, проте негативний заряд всередині клітини і позитивний заряд зовнішньої поверхні клітинної мембрани перешкоджають цьому (електричний градієнт). У випадку рівноваги на клітинній мембрані встановлюється рівноважний калієвий потенціал.
Рівноважний потенціал для кожного іона можна розрахувати за формулою Нернста:
E ion = RT / ZF · ln ([ion] o / [ion] i),
де E ion - потенціал, створюваний даними іоном;
R - універсальна газова постійна;
Т - абсолютна температура (273 +37 ° С);
Z - валентність іона;
F - стала Фарадея (9,65 · 10 4);
[Ion] o - концентрація іона у зовнішньому середовищі;
[Ion] i - концентрація іона всередині клітини.
При температурі 37 ° С рівноважний потенціал для K + дорівнює-97мВ. Однак реальний ПП менше - близько -90 мВ. Це пояснюється тим, що у формування ПП свій внесок вносять і інші іони. У цілому ПП - це алгебраїчна сума рівноважних потенціалів всіх іонів, що знаходяться всередині і поза клітини, що включає також значення поверхневих зарядів самої клітинної мембрани.
Внесок Na + і Cl - у створення ПП невеликий, але, тим не менш, він має місце. У спокої вхід Na + в клітину низький (набагато нижче, ніж K +), але він зменшує мембранний потенціал. Вплив Cl - протилежно, тому що це аніон. Негативний внутрішньоклітинний заряд не дозволяє великій кількості Cl - проникнути в клітину, тому Cl - це в основному позаклітинний аніон. Як усередині клітини, так і поза її Na + і Cl - нейтралізують один одного, внаслідок чого їх спільне надходження в клітку не робить істотного впливу на величину ПП.
Зовнішня та внутрішня сторони мембрани несуть на собі власні електричні заряди, переважно з негативним знаком. Це полярні складові мембранних молекул - гликолипидов, фосфоліпідів, глікопротеїнів. Ca 2 +, як позаклітинний катіон, взаємодіє із зовнішніми фіксованими негативними зарядами, а також з негативними карбоксильними групами інтерстицію, нейтралізуючи їх, що призводить до збільшення і стабілізації ПП.
Для створення і підтримки електрохімічних градієнтів необхідна постійна робота іонних насосів. Іонний насос - це транспортна система, що забезпечує перенесення іона всупереч електрохімічного градієнту, з безпосередніми витратами енергії. Градієнти Na + і K + підтримуються за допомогою Na / K - насосу. Спряженість транспорту Na + і K + приблизно в 2 рази зменшує енерговитрати. У цілому ж витрати енергії на активний транспорт величезні: лише Na / K - насос споживає близько 1 / 3 всієї енергії, що витрачається організмом у спокої. 1АТФ забезпечує один цикл роботи - перенесення 3 Na + з клітини, і 2 K + в клітину. Асиметричний перенесення іонів сприяє заодно формуванню та електричного градієнта (приблизно 5 - 10мВ).
Нормальна величина ПП є необхідною умовою виникнення збудження клітини, тобто поширення потенціалу дії, що ініціює специфічну діяльність клітини.
Потенціал дії (ПД)
ПД - це електрофізіологічний процес, що виражається в швидкому коливанні мембранного потенціалу, внаслідок специфічного переміщення іонів і здатний поширюватися без декремента на великі відстані. Амплітуда ПД коливається в межах 80 - 130 мВ, тривалість піку ПД в нервовому волокні - 0,5 - 1 мс. Амплітуда потенціалу дії не залежить від сили подразника. ПД або зовсім не виникає, якщо роздратування підпорогове, або досягає максимальної величини, якщо роздратування порогове або сверхпороговой. Головним у виникненні ПД є швидкий транспорт Na + всередину клітини, що сприяє спочатку зниження мембранного потенціалу, а потім - зміни негативного заряду всередині клітини на позитивний.
У складі ПД розрізняють 3 фази: деполяризацію, інверсію, і реполяризацію.
1. Фаза деполяризації. При дії на клітину деполярізующего подразника початкова часткова деполяризація відбувається без зміни її проникності для іонів (не відбувається рух Na + всередину клітини, тому що закриті швидкі потенціалчувствітельние канали для Na +). Na + - канали мають регульованим воротних механізмом, який розташований на внутрішній і зовнішній сторонах мембрани. Є активаційні ворота (m - ворота) і інактіваціонние (h - ворота). У спокої m - ворота закриті, а h - ворота відкриті. У мембрані також є K + - канали, що мають тільки одні ворота (активаційні), закриті в спокої.
Коли деполяризація клітини досягає критичної величини (Е кр - критичний рівень деполяризації, КУД), яка зазвичай дорівнює 50мВ, проникність для Na + різко зростає - відкривається велика кількість потенціалзалежні m - воріт Na + - каналів. За 1 мс через 1 відкритий Na + - канал в клітину потрапляє до 6000 іонів. Розвиваючись деполяризація мембрани викликає додаткове збільшення її проникності для Na +, відкриваються все нові й нові m - ворота Na + - канали, так що струм Na + має характер регенеративного процесу (сам себе посилює). Як тільки ПП стає рівним нулю, фаза деполяризації закінчується.
2. Фаза інверсії. Вхід Na + в клітину триває, тому що m - ворота Na + - канали ще відкриті, тому всередині клітини заряд стає позитивним, а зовні - негативним. Тепер електричний градієнт перешкоджає входу Na + в клітину, проте, через те, що концентраційний градієнт сильніше електричного, Na + все-таки проходить в клітину. У той момент, коли ПД досягає максимального значення, відбувається закриття h - воріт Na + - каналів (ці ворота чутливі до величини позитивного заряду в клітці) і надходження Na + в клітину припиняється. Одночасно відкриваються ворота K + - каналів. K + транспортується з клітки згідно хімічному градієнту (на низхідній фазі інверсії - ще й по електричному градієнту). Вихід позитивних зарядів з клітки призводить до зменшення її заряду. K + з невеликою швидкістю може виходити з клітини також через некеровані K + - канали, які завжди відкриті. Усі розглянуті процеси є регенеративними. Амплітуда ПД складається з величини ПП і величини фази інверсії. Фаза інверсії закінчується, коли електричний потенціал знову стає рівним нулю.
3. Фаза реполяризації. Пов'язана з тим, що проникність мембрани для K + ще висока, і він виходить з клітини за градієнтом концентрації, незважаючи на протидію електричного градієнта (клітина всередині знову має негативний заряд). Виходом K + обумовлена вся спадна частина піку ПД. Нерідко в кінці ПД спостерігається уповільнення реполяризації, хто пов'язано із закриттям значної частини воріт K + - каналів, а також - зі зростанням протилежно спрямованого електричного градієнта.
Якщо з позаклітинної середовища прибрати Na + або заблокувати Na + - канали, то ПД не виникає. Так за допомогою місцевих анестетиків розбудовується механізм управління біля воріт Na + - каналів.
Слідові явища в процесі збудження клітини
В кінці ПД нерідко спостерігається уповільнення реполяризації, що називають негативним слідових потенціалом. Потім може бути зареєстрована гіперполяризація мембрани (характерно для нервових клітин) - позитивний слідових потенціал. Слідом за ним може виникнути часткова деполяризація клітинної мембрани - також негативний слідових потенціал.
Слідова гіперполяризація зазвичай є результатом ще збереження підвищеної проникності для К +. Характерна для нейронів. Активаційні ворота K + - каналів ще не повністю закриті, K + продовжує виходити з клітки відповідно до концентраційного градієнту. Na / K - насос безпосередньо за фази ПД не відповідає, хоча він працює безперервно в спокої і продовжує працювати під час розвитку ПД. Можливо, Na / K - насос сприяє розвитку слідової гіперполяризації. Тривала гіперполяризація добре виражена у тонких неміелінізірованних нервових волокнах (больових афферентах).
Слідова деполяризація також характерна для нейронів. Можливо, вона пов'язана з короткочасним підвищенням проникності мембрани для Na + і входом його в клітку по градієнтам.
Дослідження іонних струмів
Найбільш поширений метод дослідження іонних каналів - це метод фіксації напруги (voltage - clamp). Мембранний потенціал за допомогою подачі електричної напруги змінюють і фіксують на певному рівні. Потім мембрану градуальну деполярізует, що веде до відкриття іонних каналів і виникнення іонних струмів, які могли б деполяризувати клітку. Однак при цьому пропускається електричний струм, рівний по величині, але протилежний за знаком, тому трансмембранний різниця потенціалів не змінюється. Це дає можливість отримати величину іонного струму через мембрану.
Кількісне співвідношення між іонними струмами по окремих каналах у спокої і під час ПД можна з'ясувати за допомогою методу локальної фіксації потенціалу (patch clamp). До мембрані підводять мікроелектрод - присоску (всередині нього створюється розрідження) і, якщо на цій ділянці виявляється канал, досліджують іонний струм через нього. В іншому методика подібна попередньої. Таким методом було встановлено, що через Na + - канали може проходити і К +, але його ток в 10 - 12 разів менше. Na + також може проходити через К + - канали в 100 разів менш інтенсивно.
Резерв у клітині іонів, які забезпечують виникнення порушення, величезний. Концентраційні градієнти іонів в результаті одного циклу порушення практично не змінюються. Клітка може порушуватися до 5.10 5 разів без підзарядки, тобто без роботи Na / K - насосу. Число імпульсів, яке генерує і проводить нервове волокно, залежить від його товщини, визначальною запас іонів.
Якщо сила подразника, що діє на нервову тканину мала, деполяризація не досягає критичного рівня, імпульс не виникає. У цьому випадку відповідь тканини на подразнення буде носити форму локального потенціалу. Величина такого потенціалу варіабельна, вона може досягати 10 - 40 мВ. Локальними є також збудливий і гальмівної постсинаптичні потенціали, рецепторний і генераторний потенціали.
Порівняльна характеристика локального потенціалу та ПД
Підвищення збудливості клітини під час локального потенціалу пояснюється тим, що мембрана виявляється частково деполяризованої. Якщо КУД залишається на постійному рівні, то для його досягнення потрібно набагато менший подразник. Амплітуда ПД не залежить від сили подразника, тому що він виникає внаслідок регенеративних процесів.
Збудливість клітини під час ПД швидко і сильно змінюється. Розрізняють декілька фаз зміни збудливості:
1. Короткочасне підвищення збудливості на початку ПД. Залежно від сили подразника може формуватися або локальний потенціал, або ПД. Збудливість підвищується тому, що клітина частково деполяризувати і ПП наближається до критичного значення. Коли деполяризація досягає 50% від порогової величини, починають відкриватися швидкі потенціал - чутливі Na + - канали.
2. Абсолютна рефрактерність - це повна невозбудимой клітини. Відповідає піку ПД і триває 1 - 2 мс. Невозбудимой на фазі деполяризації і висхідній стадії інверсії обумовлена тим, що запущено каскад регенеративних реакцій, на який вплинути ззовні вже не можна: m - ворота Na + - каналів вже відкриті, а ще закриті відкриваються у відповідь на зменшення мембранного потенціалу. У період низхідній стадії інверсії мембрана невозбудимой, тому що закриваються інактіваціонние ворота, стан яких не може змінити навіть сильне роздратування. Абсолютна рефрактерність триває і в період реполяризації до досягнення величини Е кр ± 10 мВ.
Абсолютна рефрактерна фаза обмежує максимальну частоту генерації ПД. Якщо абсолютна рефрактерність завершується через 2 мс після початку ПД, клітина може порушуватися з частотою максимум 500 імп / с. Нейрони ретикулярної формації і товсті мієлінові нервові волокна можуть генерувати ПД з частотою 1000 імп / с.
3. Відносна рефрактерна фаза - період відновлення збудливості, коли сильне роздратування може викликати нове збудження. Відповідає кінцевої стадії реполяризації та слідової гіперполяризації. Знижена збудливість пов'язана з підвищеним транспортом К + з клітини. Тому для виклику порушення необхідно більш сильне роздратування. Крім того під час гіперполяризації потенціал більше і, отже, далі відстоїть від КУД. У нервових волокон відносна рефрактерність триває кілька мс.
4. Фаза екзальтації - це період підвищеної збудливості. Він відповідає слідової деполяризації. У нейронах ЦНС можлива часткова деполяризація слідом за гіперполяризацією. Підвищена збудливість обумовлена зниженим мембранним потенціалом і підвищеною проникністю мембрани для Na +.
Швидкість протікання фазових змін збудливості клітини визначає її лабільність, або функціональна рухливість. Мірою лабільності є максимальне число ПД, яке може тканину відтворити в 1 с. Лабільність нерва дорівнює 500 - 1000, нервово - м'язового синапсу близько 100 імп / с. При поступовому збільшенні частоти ритмічного подразника лабільність тканини підвищується.
Показниками стану збудливості тканини є граничний потенціал, порогова сила, порогове час.
Граничний потенціал (ΔV) - це мінімальна величина, на яку треба зменшити ПП, щоб викликати збудження:
ΔV = Е 0 - Е кр,
де Е 0 - це потенціал спокою.
Порогова сила - це найменша сила подразника, здатна викликати ПД при необмеженій у часі дії подразника. При використанні в ролі подразника електричний струм, його порогова сила дорівнює 1 Реобаза. Якщо збудливість тканини висока, порогова сила подразника мала.
Акомодація - це зниження збудливості тканини і амплітуди ПД аж до повного їх зникнення при повільно наростаючому стимуле. Її головною причиною є інактивація Na + - каналів, що виникає при повільній деполяризації мембрани - протягом 1 с і більше. Клітина втрачає збудливість, якщо закривається близько 50% інактіваціонних воріт Na + - каналів.
Поріг час - це мінімальний час, протягом якого має діяти на тканину подразник порогової сили, щоб викликати її порушення. Хронаксія - найменший час, протягом якого має діяти струм у дві Реобаза, щоб викликати збудження.
Проведення нервових імпульсів по нервових волокнах
Нервові волокна являють собою відростки нейронів, за допомогою яких здійснюється зв'язок між нейронами, а також з ефекторами. До складу нервового волокна входить осьовий циліндр (нервовий відросток) і гліальна оболонка. За стосункам з гліальними клітинами виділяють мієлінові і безміеліновие нервові волокна. Оболонку безміеліновие волокон утворюють шванівські клітини (леммоцита). При цьому осьові циліндри прогинають клітинну оболонку леммоцитов і занурюються в них. Місце, де є здвоєна мембрана леммоцита, називається мезаксон. У мієлінових волокон мезаксон подовжується і спірально закручується навколо осьового циліндра, формуючи електроізолюючі миелиновую оболонку. Мієлінова оболонка через рівні ділянки (0,5 - 2 мм) переривається, утворюючи, вільні від мієліну ділянки, вузлові перехоплення Ранвей. Їх протяжність знаходиться в межах 0,25 - 1,0 мкм, у волокнах ЦНС - до 14 мкм. У перехопленнях можливе формування ПД, тому що там є потенціалзалежні Na + - канали. У міжвузлових сегментах таких каналів немає. У безмиелиновом нервових волокнах Na + - канали розташовані рівномірно по всій поверхні.
Поширення локальних потенціалів
Локальний потенціал змінює ПП в бік деполяризації в результаті входу в клітину Na + згідно електрохімічного градієнту. У результаті між деполярізованнимі і сусідніми ділянками волокна формується градієнт, що викликає пересування іонів Na + в сусідні ділянки волокна, а іони на зовнішній поверхні волокна рухаються в протилежному напрямку. У результаті поляризація сусідньої ділянки зменшується.
Згасання локального потенціалу пов'язано з відсутністю потенціалзалежні Na + - каналів або їх неактіваціей, з поздовжнім опором цитоплазми волокна і шунтуванням струму в позаклітинне середовище через канали витоку. Деполяризація мембрани, що не супроводжується зміною проникності потенціалзалежні Na + - і К + - каналів, називається електротоніческой. Вона характерна для ділянок, де такі канали відсутні: велика частина мембрани дендритів, межперехватние проміжки мієлінових волокон. Якщо електротоніческая деполяризація досягає ділянок з потенціалзалежні каналами, але його амплітуда не досягає порогового значення, формується препотенціал, а якщо досягає - ПД.
Ефективність електротоніческого поширення залежить від опору і ємності мембрани, опору цитоплазми (поліпшується при збільшенні діаметра волокна, тобто зі зменшенням опору цитоплазми, а також при мієлінізації волокна, тобто зі збільшенням опору мембрани і зменшенням її ємності). Ефективність електротоніческого поширення характеризується постійною довжиною мембрани (λm). Це відстань, на яке може електротоніческі поширитися биопотенциал, поки його амплітуда не зменшиться до 37% від початкової величини.
Проведення потенціалу дії
У поширенні ПД можна виділити два етапи:
- Етап електротоніческого проведення - фізичний механізм;
- Генерація ПД в новій ділянці на шляху його руху, обумовлена реакцією іонних каналів.
У залежності від розташування і концентрації іонних каналів в мембрані можливо два типи проведення ПД: безперервний і сальтаторний (стрибкоподібний).
1. Безперервне поширення ПД здійснюється в безміеліновие волокнах, які мають рівномірний розподіл по поверхні іонних каналів. На відстань постійної довжини мембрани потенціал поширюється електротоніческі, а далі формується новий ПД. Число електротоніческого розповсюдження невелика через те, що рівномірно розподілені по поверхні канали, знаходяться в безпосередній близькості, і всі вони обов'язково збуджуються при зменшенні мембранного потенціалу. Таким чином, безперервне поширення порушення йде через генерацію нервових імпульсів по естафеті, коли кожна ділянка мембрани виступає спочатку як дратуємо, а потім як дратівливий.
2. Сальтаторний тип проведення ПД здійснюється в мієлінових волокнах, в яких потенціалзалежні іонні канали сконцентровані тільки в перехоплення Ранвей, де їх щільність становить 12000 на 1 мкм 2, що в 100 разів вище, ніж у мембранах безміеліновие волокон. У міжвузлових сегментах збудливих каналів майже немає, і мембрана практично невозбудимой. У цих ділянках ПД поширюється тільки електротоніческі, а після досягнення наступного перехоплення знову генерується ПД. λm мієлінового волокна дорівнює 5 мм, тому в разі пошкодження сусідніх перехоплень ПД може електротоніческі порушити 2-й - 4-й, і навіть 5-й перехоплення. Т. о., Сальтаторное проведення збудження має дві важливі переваги: висока швидкість проведення (електротоніческій транспорт в 10 7 швидше безперервного проведення збудження) і енергетично економічно, т. к. зниження концентраційних градієнтів після проведення порушення менше, ніж у безміеліновие нервових волокнах.
Синаптична передача порушення
Синапс - спеціалізований сигнальний міжклітинний контакт, що забезпечує передачу збуджуючих або гальмівних впливів між двома збудливими клітинами. Через синапс також здійснюється трофічний вплив, що приводить до зміни метаболізму иннервируемой клітини. Синапс включає в себе пресинаптичну і постсинаптичну мембрани, а також - синаптичну щілину.
Пресинаптичне закінчення - розширене закінчення аксона, в якому є синаптичні пухирці діаметром 40 нм, що містять медіатор. У неактивному стані везикули допомогою білка сінапсіна пов'язані з цитоскелетом. Також в пресинаптическом закінчення є мітохондрії, що здійснюють енергозабезпечення синаптичної передачі, цистерни гладкою ЕПС, в яких депонується Ca 2 +, а також мікротрубочки і мікрофіламенти, які беруть участь у внутрішньоклітинному переміщенні везикул. Частина мембрани, що обмежує синаптичну щілину, називається пресинаптической мембраною. Через неї відбувається екзоцитоз медіатора в синаптичну щілину.
Синаптична щілину містить міжклітинну рідину і мукополісахарідниє щільне речовина у вигляді смужок, містків, яке забезпечує зв'язок між пре-і постсинаптичних мембранах і може містити ферменти, які беруть участь у метаболізмі медіатора.
Постсинаптическая мембрана - утощенная частина клітинної мембрани иннервируемой клітини, що містить білкові рецептори, здатні зв'язувати молекули медіатора.
Механізм синаптичної передачі
Передача здійснюється в два етапи.
1. Перетворення електричного сигналу в хімічний (електросекреторное пару). ПД, що надійшов у пресинаптичне закінчення, викликає його деполяризацію, що відкриває потенціалзалежні Ca 2 + - канали. Іони Ca 2 + входять в клітку згідно електрохімічного градієнту, що активує фосфорилювання сінапсіна і подальше ослаблення зв'язку везикул з цитоскелетом. Везикула переміщається до мембрани. При контакті з мембраною проісходітферментатівное «плавлення» її стінки, а також активація білка сінаптопоріна, формуючого канал, через який відбувається вихід медіатора в синаптичну щілину шляхом екзоцитозу. Виділення молекул медіатора пропорційно кількості надійшов туди Ca 2 + в 4-го ступеня, тобто є посилення сигналу. Виділення медіатора відбувається квантами, кожен з яких містить до 10 тис. молекул. Після надходження в синаптичну щілину молекули медіатора дифундують до постсинаптичної мембрани і вступають у взаємодію з її рецепторами. Швидкість дифузії молекул медіатора дозволяє їм пройти відстань синаптичної щілини протягом 0,1 - 0,2 мс. Тривалість дії медіатора на рецептори дорівнює близько 1 мс, що набагато менше його періоду напіврозпаду. Це означає, що медіатор видаляється з синаптичної щілини. Видалення відбувається шляхом дифузії в навколишній міжклітинну речовину і руйнування естерази.
2. Перетворення хімічного сигналу назад в електричний. Дія молекул медіатора на рецептори призводить до відкриття іонних каналів. Відкрите стан зберігається 1мс, протягом якого через нього проходить близько 500000 іонів. Струм Na + через канал перевершує струм К +, тому що транспорту К + протистоїть електричний градієнт. Формується деполяризація, звана збудливим постсинаптическим потенціалом (ЗПСП). Висока збудливість у синапсах може підтримуватися шляхом спонтанного виділення з пресинаптичної мембрани 1 - 2 квантів медіатора у час між імпульсами. Крім того існує неквантовая витік медіатора, яка, за припущеннями, робить трофічна вплив.
У нейронах ЦНС виникнення ВПСП пов'язано також з транспортом Ca 2 +. Крім швидких Na + - потенціалів існують повільні кальцієві. У тілах деяких нейронів ПД створюється переважно за рахунок Ca 2 +, а в аксоні - головним чином за рахунок Na +.
Таким чином видно, яке важливе значення в організмі відіграє нерівномірний розподіл іонів. Потенційна енергія хімічних і електричних градієнтів велика і використовується організмом далеко не тільки для інформаційного зв'язку між окремими частинами організму і зовнішнім середовищем. Ця енергія може перекладатися в енергію хімічних зв'язків, як наприклад в процесах фотосинтезу і внутрішньоклітинного дихання, може використовуватися для транспорту через мембрану інших речовин (як, наприклад, при всмоктуванні пітательни'х речовин у кишечнику, реабсорбції речовин в канальцях нефрона), регуляції параметрів внутрішнього середовища і багатьох інших процесах.
Всі клітини мають свій електричний заряд, який формується в результаті неоднакової проникності мембрани для різних іонів. Клітини збудливих тканин (нервова, м'язова, залозиста) відрізняються тим, що вони під дією подразника змінюють проникність своєї мембрани для іонів, в результаті чого іони дуже швидко транспортуються згідно електрохімічного градієнту. Це і є процес збудження. Його основою є потенціал спокою.
Потенціал спокою
Потенціал спокою - відносно стабільна різниця електричних потенціалів між зовнішньою і внутрішньою сторонами клітинної мембрани. Його величина зазвичай варіює в межах від -30 до -90 мВ. Внутрішня сторона мембрани в спокої заряджена негативно, а зовнішня - позитивно через неоднакових концентрацій катіонів та аніонів всередині і поза клітиною.
Внутрішньо-і позаклітинні концентрації іонів (ммоль / л) у м'язових клітинах теплокровних тварин
| Внутрішньоклітинна концентрація | Позаклітинна концентрація | |
| Na + | 12 | 145 |
| K + | 155 | 4 |
| Ca2 + | 10-8 - 10-7 | 2 |
| Cl- | 4 | 120 - 130 |
| HCO3- | 8 | 27 |
| Високомолекулярні внутрішньоклітинні аніони | 155 | _ |
| Інші катіони | Мало | 5 |
Головним іоном, які забезпечують формування потенціалу спокою (ПП), є K +. В нерухомій клітці встановлюється динамічна рівновага між числом входять і виходять іонів K +. Ця рівновага встановлюється тоді, коли електричний градієнт врівноважить концентраційний. Відповідно до концентраційного градієнту, створюваному іонними насосами, K + прагне вийти з клітки, проте негативний заряд всередині клітини і позитивний заряд зовнішньої поверхні клітинної мембрани перешкоджають цьому (електричний градієнт). У випадку рівноваги на клітинній мембрані встановлюється рівноважний калієвий потенціал.
Рівноважний потенціал для кожного іона можна розрахувати за формулою Нернста:
E ion = RT / ZF · ln ([ion] o / [ion] i),
де E ion - потенціал, створюваний даними іоном;
R - універсальна газова постійна;
Т - абсолютна температура (273 +37 ° С);
Z - валентність іона;
F - стала Фарадея (9,65 · 10 4);
[Ion] o - концентрація іона у зовнішньому середовищі;
[Ion] i - концентрація іона всередині клітини.
При температурі 37 ° С рівноважний потенціал для K + дорівнює-97мВ. Однак реальний ПП менше - близько -90 мВ. Це пояснюється тим, що у формування ПП свій внесок вносять і інші іони. У цілому ПП - це алгебраїчна сума рівноважних потенціалів всіх іонів, що знаходяться всередині і поза клітини, що включає також значення поверхневих зарядів самої клітинної мембрани.
Внесок Na + і Cl - у створення ПП невеликий, але, тим не менш, він має місце. У спокої вхід Na + в клітину низький (набагато нижче, ніж K +), але він зменшує мембранний потенціал. Вплив Cl - протилежно, тому що це аніон. Негативний внутрішньоклітинний заряд не дозволяє великій кількості Cl - проникнути в клітину, тому Cl - це в основному позаклітинний аніон. Як усередині клітини, так і поза її Na + і Cl - нейтралізують один одного, внаслідок чого їх спільне надходження в клітку не робить істотного впливу на величину ПП.
Зовнішня та внутрішня сторони мембрани несуть на собі власні електричні заряди, переважно з негативним знаком. Це полярні складові мембранних молекул - гликолипидов, фосфоліпідів, глікопротеїнів. Ca 2 +, як позаклітинний катіон, взаємодіє із зовнішніми фіксованими негативними зарядами, а також з негативними карбоксильними групами інтерстицію, нейтралізуючи їх, що призводить до збільшення і стабілізації ПП.
Для створення і підтримки електрохімічних градієнтів необхідна постійна робота іонних насосів. Іонний насос - це транспортна система, що забезпечує перенесення іона всупереч електрохімічного градієнту, з безпосередніми витратами енергії. Градієнти Na + і K + підтримуються за допомогою Na / K - насосу. Спряженість транспорту Na + і K + приблизно в 2 рази зменшує енерговитрати. У цілому ж витрати енергії на активний транспорт величезні: лише Na / K - насос споживає близько 1 / 3 всієї енергії, що витрачається організмом у спокої. 1АТФ забезпечує один цикл роботи - перенесення 3 Na + з клітини, і 2 K + в клітину. Асиметричний перенесення іонів сприяє заодно формуванню та електричного градієнта (приблизно 5 - 10мВ).
Нормальна величина ПП є необхідною умовою виникнення збудження клітини, тобто поширення потенціалу дії, що ініціює специфічну діяльність клітини.
Потенціал дії (ПД)
ПД - це електрофізіологічний процес, що виражається в швидкому коливанні мембранного потенціалу, внаслідок специфічного переміщення іонів і здатний поширюватися без декремента на великі відстані. Амплітуда ПД коливається в межах 80 - 130 мВ, тривалість піку ПД в нервовому волокні - 0,5 - 1 мс. Амплітуда потенціалу дії не залежить від сили подразника. ПД або зовсім не виникає, якщо роздратування підпорогове, або досягає максимальної величини, якщо роздратування порогове або сверхпороговой. Головним у виникненні ПД є швидкий транспорт Na + всередину клітини, що сприяє спочатку зниження мембранного потенціалу, а потім - зміни негативного заряду всередині клітини на позитивний.
У складі ПД розрізняють 3 фази: деполяризацію, інверсію, і реполяризацію.
1. Фаза деполяризації. При дії на клітину деполярізующего подразника початкова часткова деполяризація відбувається без зміни її проникності для іонів (не відбувається рух Na + всередину клітини, тому що закриті швидкі потенціалчувствітельние канали для Na +). Na + - канали мають регульованим воротних механізмом, який розташований на внутрішній і зовнішній сторонах мембрани. Є активаційні ворота (m - ворота) і інактіваціонние (h - ворота). У спокої m - ворота закриті, а h - ворота відкриті. У мембрані також є K + - канали, що мають тільки одні ворота (активаційні), закриті в спокої.
Коли деполяризація клітини досягає критичної величини (Е кр - критичний рівень деполяризації, КУД), яка зазвичай дорівнює 50мВ, проникність для Na + різко зростає - відкривається велика кількість потенціалзалежні m - воріт Na + - каналів. За 1 мс через 1 відкритий Na + - канал в клітину потрапляє до 6000 іонів. Розвиваючись деполяризація мембрани викликає додаткове збільшення її проникності для Na +, відкриваються все нові й нові m - ворота Na + - канали, так що струм Na + має характер регенеративного процесу (сам себе посилює). Як тільки ПП стає рівним нулю, фаза деполяризації закінчується.
2. Фаза інверсії. Вхід Na + в клітину триває, тому що m - ворота Na + - канали ще відкриті, тому всередині клітини заряд стає позитивним, а зовні - негативним. Тепер електричний градієнт перешкоджає входу Na + в клітину, проте, через те, що концентраційний градієнт сильніше електричного, Na + все-таки проходить в клітину. У той момент, коли ПД досягає максимального значення, відбувається закриття h - воріт Na + - каналів (ці ворота чутливі до величини позитивного заряду в клітці) і надходження Na + в клітину припиняється. Одночасно відкриваються ворота K + - каналів. K + транспортується з клітки згідно хімічному градієнту (на низхідній фазі інверсії - ще й по електричному градієнту). Вихід позитивних зарядів з клітки призводить до зменшення її заряду. K + з невеликою швидкістю може виходити з клітини також через некеровані K + - канали, які завжди відкриті. Усі розглянуті процеси є регенеративними. Амплітуда ПД складається з величини ПП і величини фази інверсії. Фаза інверсії закінчується, коли електричний потенціал знову стає рівним нулю.
3. Фаза реполяризації. Пов'язана з тим, що проникність мембрани для K + ще висока, і він виходить з клітини за градієнтом концентрації, незважаючи на протидію електричного градієнта (клітина всередині знову має негативний заряд). Виходом K + обумовлена вся спадна частина піку ПД. Нерідко в кінці ПД спостерігається уповільнення реполяризації, хто пов'язано із закриттям значної частини воріт K + - каналів, а також - зі зростанням протилежно спрямованого електричного градієнта.
Якщо з позаклітинної середовища прибрати Na + або заблокувати Na + - канали, то ПД не виникає. Так за допомогою місцевих анестетиків розбудовується механізм управління біля воріт Na + - каналів.
Слідові явища в процесі збудження клітини
В кінці ПД нерідко спостерігається уповільнення реполяризації, що називають негативним слідових потенціалом. Потім може бути зареєстрована гіперполяризація мембрани (характерно для нервових клітин) - позитивний слідових потенціал. Слідом за ним може виникнути часткова деполяризація клітинної мембрани - також негативний слідових потенціал.
Слідова гіперполяризація зазвичай є результатом ще збереження підвищеної проникності для К +. Характерна для нейронів. Активаційні ворота K + - каналів ще не повністю закриті, K + продовжує виходити з клітки відповідно до концентраційного градієнту. Na / K - насос безпосередньо за фази ПД не відповідає, хоча він працює безперервно в спокої і продовжує працювати під час розвитку ПД. Можливо, Na / K - насос сприяє розвитку слідової гіперполяризації. Тривала гіперполяризація добре виражена у тонких неміелінізірованних нервових волокнах (больових афферентах).
Слідова деполяризація також характерна для нейронів. Можливо, вона пов'язана з короткочасним підвищенням проникності мембрани для Na + і входом його в клітку по градієнтам.
Дослідження іонних струмів
Найбільш поширений метод дослідження іонних каналів - це метод фіксації напруги (voltage - clamp). Мембранний потенціал за допомогою подачі електричної напруги змінюють і фіксують на певному рівні. Потім мембрану градуальну деполярізует, що веде до відкриття іонних каналів і виникнення іонних струмів, які могли б деполяризувати клітку. Однак при цьому пропускається електричний струм, рівний по величині, але протилежний за знаком, тому трансмембранний різниця потенціалів не змінюється. Це дає можливість отримати величину іонного струму через мембрану.
Кількісне співвідношення між іонними струмами по окремих каналах у спокої і під час ПД можна з'ясувати за допомогою методу локальної фіксації потенціалу (patch clamp). До мембрані підводять мікроелектрод - присоску (всередині нього створюється розрідження) і, якщо на цій ділянці виявляється канал, досліджують іонний струм через нього. В іншому методика подібна попередньої. Таким методом було встановлено, що через Na + - канали може проходити і К +, але його ток в 10 - 12 разів менше. Na + також може проходити через К + - канали в 100 разів менш інтенсивно.
Резерв у клітині іонів, які забезпечують виникнення порушення, величезний. Концентраційні градієнти іонів в результаті одного циклу порушення практично не змінюються. Клітка може порушуватися до 5.10 5 разів без підзарядки, тобто без роботи Na / K - насосу. Число імпульсів, яке генерує і проводить нервове волокно, залежить від його товщини, визначальною запас іонів.
Якщо сила подразника, що діє на нервову тканину мала, деполяризація не досягає критичного рівня, імпульс не виникає. У цьому випадку відповідь тканини на подразнення буде носити форму локального потенціалу. Величина такого потенціалу варіабельна, вона може досягати 10 - 40 мВ. Локальними є також збудливий і гальмівної постсинаптичні потенціали, рецепторний і генераторний потенціали.
Порівняльна характеристика локального потенціалу та ПД
| Властивість | Локальний потенціал | Потенціал дії |
| Поширення | На 1 - 2 мм із загасанням (декрементом) | Без декремента на великі відстані по всій довжині нервового волокна |
| Залежність від величини стимулу | Зростає із збільшенням сили подразника, тобто підпорядковується закону «сили» | Не залежить (підпорядковується закону «все або нічого») |
| Явище сумації | Підсумовується - зростає при частих повторних підпорогової подразненнях | Не підсумовується |
| Амплітуда | 10 - 40 мВ | 80 - 130 мВ |
| Збудливість тканини при виникненні потенцала | Збільшується | Зменшується аж до абсолютної рефрактерності |
Підвищення збудливості клітини під час локального потенціалу пояснюється тим, що мембрана виявляється частково деполяризованої. Якщо КУД залишається на постійному рівні, то для його досягнення потрібно набагато менший подразник. Амплітуда ПД не залежить від сили подразника, тому що він виникає внаслідок регенеративних процесів.
Збудливість клітини під час ПД швидко і сильно змінюється. Розрізняють декілька фаз зміни збудливості:
1. Короткочасне підвищення збудливості на початку ПД. Залежно від сили подразника може формуватися або локальний потенціал, або ПД. Збудливість підвищується тому, що клітина частково деполяризувати і ПП наближається до критичного значення. Коли деполяризація досягає 50% від порогової величини, починають відкриватися швидкі потенціал - чутливі Na + - канали.
2. Абсолютна рефрактерність - це повна невозбудимой клітини. Відповідає піку ПД і триває 1 - 2 мс. Невозбудимой на фазі деполяризації і висхідній стадії інверсії обумовлена тим, що запущено каскад регенеративних реакцій, на який вплинути ззовні вже не можна: m - ворота Na + - каналів вже відкриті, а ще закриті відкриваються у відповідь на зменшення мембранного потенціалу. У період низхідній стадії інверсії мембрана невозбудимой, тому що закриваються інактіваціонние ворота, стан яких не може змінити навіть сильне роздратування. Абсолютна рефрактерність триває і в період реполяризації до досягнення величини Е кр ± 10 мВ.
Абсолютна рефрактерна фаза обмежує максимальну частоту генерації ПД. Якщо абсолютна рефрактерність завершується через 2 мс після початку ПД, клітина може порушуватися з частотою максимум 500 імп / с. Нейрони ретикулярної формації і товсті мієлінові нервові волокна можуть генерувати ПД з частотою 1000 імп / с.
3. Відносна рефрактерна фаза - період відновлення збудливості, коли сильне роздратування може викликати нове збудження. Відповідає кінцевої стадії реполяризації та слідової гіперполяризації. Знижена збудливість пов'язана з підвищеним транспортом К + з клітини. Тому для виклику порушення необхідно більш сильне роздратування. Крім того під час гіперполяризації потенціал більше і, отже, далі відстоїть від КУД. У нервових волокон відносна рефрактерність триває кілька мс.
4. Фаза екзальтації - це період підвищеної збудливості. Він відповідає слідової деполяризації. У нейронах ЦНС можлива часткова деполяризація слідом за гіперполяризацією. Підвищена збудливість обумовлена зниженим мембранним потенціалом і підвищеною проникністю мембрани для Na +.
Швидкість протікання фазових змін збудливості клітини визначає її лабільність, або функціональна рухливість. Мірою лабільності є максимальне число ПД, яке може тканину відтворити в 1 с. Лабільність нерва дорівнює 500 - 1000, нервово - м'язового синапсу близько 100 імп / с. При поступовому збільшенні частоти ритмічного подразника лабільність тканини підвищується.
Показниками стану збудливості тканини є граничний потенціал, порогова сила, порогове час.
Граничний потенціал (ΔV) - це мінімальна величина, на яку треба зменшити ПП, щоб викликати збудження:
ΔV = Е 0 - Е кр,
де Е 0 - це потенціал спокою.
Порогова сила - це найменша сила подразника, здатна викликати ПД при необмеженій у часі дії подразника. При використанні в ролі подразника електричний струм, його порогова сила дорівнює 1 Реобаза. Якщо збудливість тканини висока, порогова сила подразника мала.
Акомодація - це зниження збудливості тканини і амплітуди ПД аж до повного їх зникнення при повільно наростаючому стимуле. Її головною причиною є інактивація Na + - каналів, що виникає при повільній деполяризації мембрани - протягом 1 с і більше. Клітина втрачає збудливість, якщо закривається близько 50% інактіваціонних воріт Na + - каналів.
Поріг час - це мінімальний час, протягом якого має діяти на тканину подразник порогової сили, щоб викликати її порушення. Хронаксія - найменший час, протягом якого має діяти струм у дві Реобаза, щоб викликати збудження.
Проведення нервових імпульсів по нервових волокнах
Нервові волокна являють собою відростки нейронів, за допомогою яких здійснюється зв'язок між нейронами, а також з ефекторами. До складу нервового волокна входить осьовий циліндр (нервовий відросток) і гліальна оболонка. За стосункам з гліальними клітинами виділяють мієлінові і безміеліновие нервові волокна. Оболонку безміеліновие волокон утворюють шванівські клітини (леммоцита). При цьому осьові циліндри прогинають клітинну оболонку леммоцитов і занурюються в них. Місце, де є здвоєна мембрана леммоцита, називається мезаксон. У мієлінових волокон мезаксон подовжується і спірально закручується навколо осьового циліндра, формуючи електроізолюючі миелиновую оболонку. Мієлінова оболонка через рівні ділянки (0,5 - 2 мм) переривається, утворюючи, вільні від мієліну ділянки, вузлові перехоплення Ранвей. Їх протяжність знаходиться в межах 0,25 - 1,0 мкм, у волокнах ЦНС - до 14 мкм. У перехопленнях можливе формування ПД, тому що там є потенціалзалежні Na + - канали. У міжвузлових сегментах таких каналів немає. У безмиелиновом нервових волокнах Na + - канали розташовані рівномірно по всій поверхні.
Поширення локальних потенціалів
Локальний потенціал змінює ПП в бік деполяризації в результаті входу в клітину Na + згідно електрохімічного градієнту. У результаті між деполярізованнимі і сусідніми ділянками волокна формується градієнт, що викликає пересування іонів Na + в сусідні ділянки волокна, а іони на зовнішній поверхні волокна рухаються в протилежному напрямку. У результаті поляризація сусідньої ділянки зменшується.
Згасання локального потенціалу пов'язано з відсутністю потенціалзалежні Na + - каналів або їх неактіваціей, з поздовжнім опором цитоплазми волокна і шунтуванням струму в позаклітинне середовище через канали витоку. Деполяризація мембрани, що не супроводжується зміною проникності потенціалзалежні Na + - і К + - каналів, називається електротоніческой. Вона характерна для ділянок, де такі канали відсутні: велика частина мембрани дендритів, межперехватние проміжки мієлінових волокон. Якщо електротоніческая деполяризація досягає ділянок з потенціалзалежні каналами, але його амплітуда не досягає порогового значення, формується препотенціал, а якщо досягає - ПД.
Ефективність електротоніческого поширення залежить від опору і ємності мембрани, опору цитоплазми (поліпшується при збільшенні діаметра волокна, тобто зі зменшенням опору цитоплазми, а також при мієлінізації волокна, тобто зі збільшенням опору мембрани і зменшенням її ємності). Ефективність електротоніческого поширення характеризується постійною довжиною мембрани (λm). Це відстань, на яке може електротоніческі поширитися биопотенциал, поки його амплітуда не зменшиться до 37% від початкової величини.
Проведення потенціалу дії
У поширенні ПД можна виділити два етапи:
- Етап електротоніческого проведення - фізичний механізм;
- Генерація ПД в новій ділянці на шляху його руху, обумовлена реакцією іонних каналів.
У залежності від розташування і концентрації іонних каналів в мембрані можливо два типи проведення ПД: безперервний і сальтаторний (стрибкоподібний).
1. Безперервне поширення ПД здійснюється в безміеліновие волокнах, які мають рівномірний розподіл по поверхні іонних каналів. На відстань постійної довжини мембрани потенціал поширюється електротоніческі, а далі формується новий ПД. Число електротоніческого розповсюдження невелика через те, що рівномірно розподілені по поверхні канали, знаходяться в безпосередній близькості, і всі вони обов'язково збуджуються при зменшенні мембранного потенціалу. Таким чином, безперервне поширення порушення йде через генерацію нервових імпульсів по естафеті, коли кожна ділянка мембрани виступає спочатку як дратуємо, а потім як дратівливий.
2. Сальтаторний тип проведення ПД здійснюється в мієлінових волокнах, в яких потенціалзалежні іонні канали сконцентровані тільки в перехоплення Ранвей, де їх щільність становить 12000 на 1 мкм 2, що в 100 разів вище, ніж у мембранах безміеліновие волокон. У міжвузлових сегментах збудливих каналів майже немає, і мембрана практично невозбудимой. У цих ділянках ПД поширюється тільки електротоніческі, а після досягнення наступного перехоплення знову генерується ПД. λm мієлінового волокна дорівнює 5 мм, тому в разі пошкодження сусідніх перехоплень ПД може електротоніческі порушити 2-й - 4-й, і навіть 5-й перехоплення. Т. о., Сальтаторное проведення збудження має дві важливі переваги: висока швидкість проведення (електротоніческій транспорт в 10 7 швидше безперервного проведення збудження) і енергетично економічно, т. к. зниження концентраційних градієнтів після проведення порушення менше, ніж у безміеліновие нервових волокнах.
Синаптична передача порушення
Синапс - спеціалізований сигнальний міжклітинний контакт, що забезпечує передачу збуджуючих або гальмівних впливів між двома збудливими клітинами. Через синапс також здійснюється трофічний вплив, що приводить до зміни метаболізму иннервируемой клітини. Синапс включає в себе пресинаптичну і постсинаптичну мембрани, а також - синаптичну щілину.
Пресинаптичне закінчення - розширене закінчення аксона, в якому є синаптичні пухирці діаметром 40 нм, що містять медіатор. У неактивному стані везикули допомогою білка сінапсіна пов'язані з цитоскелетом. Також в пресинаптическом закінчення є мітохондрії, що здійснюють енергозабезпечення синаптичної передачі, цистерни гладкою ЕПС, в яких депонується Ca 2 +, а також мікротрубочки і мікрофіламенти, які беруть участь у внутрішньоклітинному переміщенні везикул. Частина мембрани, що обмежує синаптичну щілину, називається пресинаптической мембраною. Через неї відбувається екзоцитоз медіатора в синаптичну щілину.
Синаптична щілину містить міжклітинну рідину і мукополісахарідниє щільне речовина у вигляді смужок, містків, яке забезпечує зв'язок між пре-і постсинаптичних мембранах і може містити ферменти, які беруть участь у метаболізмі медіатора.
Постсинаптическая мембрана - утощенная частина клітинної мембрани иннервируемой клітини, що містить білкові рецептори, здатні зв'язувати молекули медіатора.
Механізм синаптичної передачі
Передача здійснюється в два етапи.
1. Перетворення електричного сигналу в хімічний (електросекреторное пару). ПД, що надійшов у пресинаптичне закінчення, викликає його деполяризацію, що відкриває потенціалзалежні Ca 2 + - канали. Іони Ca 2 + входять в клітку згідно електрохімічного градієнту, що активує фосфорилювання сінапсіна і подальше ослаблення зв'язку везикул з цитоскелетом. Везикула переміщається до мембрани. При контакті з мембраною проісходітферментатівное «плавлення» її стінки, а також активація білка сінаптопоріна, формуючого канал, через який відбувається вихід медіатора в синаптичну щілину шляхом екзоцитозу. Виділення молекул медіатора пропорційно кількості надійшов туди Ca 2 + в 4-го ступеня, тобто є посилення сигналу. Виділення медіатора відбувається квантами, кожен з яких містить до 10 тис. молекул. Після надходження в синаптичну щілину молекули медіатора дифундують до постсинаптичної мембрани і вступають у взаємодію з її рецепторами. Швидкість дифузії молекул медіатора дозволяє їм пройти відстань синаптичної щілини протягом 0,1 - 0,2 мс. Тривалість дії медіатора на рецептори дорівнює близько 1 мс, що набагато менше його періоду напіврозпаду. Це означає, що медіатор видаляється з синаптичної щілини. Видалення відбувається шляхом дифузії в навколишній міжклітинну речовину і руйнування естерази.
2. Перетворення хімічного сигналу назад в електричний. Дія молекул медіатора на рецептори призводить до відкриття іонних каналів. Відкрите стан зберігається 1мс, протягом якого через нього проходить близько 500000 іонів. Струм Na + через канал перевершує струм К +, тому що транспорту К + протистоїть електричний градієнт. Формується деполяризація, звана збудливим постсинаптическим потенціалом (ЗПСП). Висока збудливість у синапсах може підтримуватися шляхом спонтанного виділення з пресинаптичної мембрани 1 - 2 квантів медіатора у час між імпульсами. Крім того існує неквантовая витік медіатора, яка, за припущеннями, робить трофічна вплив.
У нейронах ЦНС виникнення ВПСП пов'язано також з транспортом Ca 2 +. Крім швидких Na + - потенціалів існують повільні кальцієві. У тілах деяких нейронів ПД створюється переважно за рахунок Ca 2 +, а в аксоні - головним чином за рахунок Na +.
Таким чином видно, яке важливе значення в організмі відіграє нерівномірний розподіл іонів. Потенційна енергія хімічних і електричних градієнтів велика і використовується організмом далеко не тільки для інформаційного зв'язку між окремими частинами організму і зовнішнім середовищем. Ця енергія може перекладатися в енергію хімічних зв'язків, як наприклад в процесах фотосинтезу і внутрішньоклітинного дихання, може використовуватися для транспорту через мембрану інших речовин (як, наприклад, при всмоктуванні пітательни'х речовин у кишечнику, реабсорбції речовин в канальцях нефрона), регуляції параметрів внутрішнього середовища і багатьох інших процесах.