Потенциал действия

Потенциал действия — это кратковременное изменение разности электрических потенциалов между внутренней и наружной сторонами мембраны возбудимой клетки (нейрона, мышечного волокна, кардиомиоцита), возникающее в ответ на стимул, превышающий пороговое значение. Потенциал действия является основным механизмом передачи электрических сигналов в нервной системе и инициирования сокращения мышц. Он представляет собой быстрый, самораспространяющийся процесс деполяризации и последующей реполяризации мембраны, который подчиняется закону «всё или ничего»: при достижении порога возникает полный ответ, при не достижении — ответа нет.

Физические и физиологические основы

Мембранный потенциал покоя

В состоянии покоя внутренняя сторона мембраны возбудимой клетки заряжена отрицательно относительно наружной. Эта разность потенциалов, называемая потенциалом покоя, составляет от –60 до –90 мВ (в зависимости от типа клетки). Она поддерживается за счёт:

• Натрий-калиевой АТФазы (Na⁺/K⁺-насоса), которая выкачивает из клетки три иона натрия (Na⁺) и закачивает два иона калия (K⁺), создавая градиент концентраций.
• Калиевых каналов утечки, через которые ионы K⁺ пассивно выходят из клетки, унося положительный заряд.
• Неравномерного распределения ионов: внутри клетки высока концентрация K⁺ и органических анионов (белков, фосфатов), снаружи — высока концентрация Na⁺ и хлора (Cl⁻).

Порог возбуждения

Потенциал действия возникает только тогда, когда стимул (химический, электрический, механический) вызывает деполяризацию мембраны до определённого уровня — порогового потенциала. Для большинства нейронов порог составляет около –55 мВ. При достижении порога открываются потенциал-зависимые натриевые каналы, запуская лавинообразный процесс.

Фазы потенциала действия

Типичный потенциал действия состоит из нескольких последовательных фаз, которые можно зарегистрировать с помощью микроэлектродов.

1. Фаза деполяризации

При достижении порога открываются быстрые потенциал-зависимые натриевые каналы. Ионы Na⁺ устремляются внутрь клетки по электрохимическому градиенту, вызывая резкое смещение мембранного потенциала в положительную сторону. Потенциал может достигать +30…+40 мВ (овершут, или «перелёт»). Этот процесс длится около 0,5–1 мс.

2. Фаза реполяризации

Натриевые каналы быстро инактивируются (закрываются), а потенциал-зависимые калиевые каналы открываются с задержкой. Ионы K⁺ выходят из клетки, возвращая потенциал к отрицательным значениям. Реполяризация завершается восстановлением потенциала покоя.

3. Фаза следовой гиперполяризации

Из-за того, что калиевые каналы остаются открытыми дольше, чем необходимо, и из-за работы Na⁺/K⁺-насоса, мембранный потенциал может временно стать более отрицательным, чем исходный потенциал покоя (например, –80 мВ вместо –70 мВ). Эта фаза длится несколько миллисекунд.

4. Рефрактерные периоды

После генерации потенциала действия клетка временно теряет способность к возбуждению:

• Абсолютный рефрактерный период — совпадает с фазой деполяризации и началом реполяризации. В это время натриевые каналы инактивированы, и никакой стимул не может вызвать новый потенциал действия.
• Относительный рефрактерный период — соответствует фазе следовой гиперполяризации. Возбуждение возможно, но только при более сильном стимуле, чем обычно.

Механизм распространения

В немиелинизированных нервных волокнах потенциал действия распространяется непрерывно (проведение без декремента). Деполяризация одного участка мембраны вызывает локальные токи, которые деполяризуют соседний участок до порога, и процесс повторяется. Скорость распространения составляет от 0,5 до 2 м/с.

В миелинизированных волокнах (аксонах, покрытых миелиновой оболочкой) потенциал действия возникает только в перехватах Ранвье — оголённых участках мембраны между миелиновыми сегментами. Локальные токи «перепрыгивают» от одного перехвата к другому (сальтаторное проведение). Это значительно увеличивает скорость проведения (до 100–120 м/с) и снижает энергозатраты.

Классификация по типам клеток

Нейрональный потенциал действия

Характерен для нервных клеток. Длительность — 1–2 мс. Амплитуда — около 100 мВ. После потенциала действия в синапсе происходит высвобождение нейромедиатора.

Мышечный потенциал действия

В скелетных мышцах потенциал действия длится 2–5 мс и вызывает сокращение через систему T-трубочек и саркоплазматический ретикулум. В сердечной мышце (кардиомиоцитах) потенциал действия имеет характерную «плато»-фазу (фаза 2), обусловленную медленными кальциевыми каналами, что обеспечивает длительное сокращение (200–400 мс) и предотвращает тетаническое сокращение.

Потенциал действия в гладких мышцах

В гладких мышцах потенциал действия может быть как спайковым (быстрым), так и медленным, с участием кальциевых каналов. Длительность варьирует от 10 до 50 мс.

Регистрация и методы исследования

Потенциал действия впервые был зарегистрирован в 1939 году Аланом Ходжкином и Эндрю Хаксли на гигантском аксоне кальмара. За эту работу они получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1963 году. Современные методы включают:

• Микроэлектродная техника — введение тонкого стеклянного электрода внутрь клетки.
• Patch-clamp (метод фиксации потенциала) — позволяет регистрировать токи через одиночные ионные каналы.
• Оптогенетика — использование светочувствительных белков (например, канального родопсина) для управления потенциалом действия с помощью света.

Патологические аспекты

Нарушения генерации и проведения потенциала действия лежат в основе многих заболеваний:

• Нейропатии (диабетическая, алкогольная) — демиелинизация приводит к замедлению или блоку проведения.
• Рассеянный склероз — аутоиммунное поражение миелина, вызывающее нарушение сальтаторного проведения.
• Аритмии сердца — изменения длительности потенциала действия кардиомиоцитов (например, синдром удлинённого QT) могут приводить к желудочковой тахикардии.
• Эпилепсия — гиперсинхронная генерация потенциалов действия в нейронах коры головного мозга.

Интересные факты

• Потенциал действия не затухает при распространении — его амплитуда остаётся постоянной на всём протяжении аксона, пока не достигнет синапса.
• Скорость проведения в миелинизированных волокнах может превышать скорость автомобиля в городском потоке (до 120 м/с).
• В некоторых клетках (например, в кардиомиоцитах) потенциал действия может длиться до 0,4 секунды, что в сотни раз дольше, чем в нейронах.

Источники

• Ходжкин А., Хаксли Э. «Потенциал действия и ионные механизмы возбуждения» (1952).
• Гайтон А.К., Холл Дж.Э. «Медицинская физиология» (12-е издание, 2011).
• Кац Б. «Нерв, мышца и синапс» (1966).
• Purves D. et al. «Neuroscience» (5th edition, 2012).