Потенціал дії та іонні канали - Практична психологія на
Автор Evgeniy в 28/10/2013. Опубліковано Біопсихологія Останнє оновлення: 28/10/2013
Збудливі клітини (якими в тій чи іншій мірі всі клітини організму тварини) у спокої мають надлишок негативного заряду, що формує потенціал спокою. Якщо клітина піддається зовнішньому подразненню, вона перетворюється на збуджений стан і генерує інший потенціал — потенціал дії.
Реалізує цей процес система іонних каналів у мембрані клітини, що регулює концентрацію електрично заряджених частинок — іонів. Усі канали, незалежно від спеціалізації, керуються певними силами. Це може бути зміна потенціалу на клітинній мембрані – у разі потенціал-залежних каналів, підвищення концентрації певних активних речовин – для ліганд-залежних або розтягнення мембрани – для механічно керованих каналів.
Канали це специфічні білки, вбудовані в мембрану. Кожен тип каналів пропускає певні іони. Це система пасивного транспорту: іони проходять через них завдяки дифузії, а канали просто контролюють концентрацію частинок, що проходять, регулюють для них проникність мембрани.
У формуванні потенціалу дії, як і потенціалу спокою, беруть участь головним чином іони натрію та калію.
Натрієві канали мають досить просту будову: це білок із трьох різних субодиниць, які утворюють структуру, схожу на пору — тобто трубку із внутрішнім просвітом. Канал може перебувати у трьох станах: закритому, відкритому та інактивованому (закритий і незбудливий). Це забезпечується локалізацією негативних та позитивних зарядів у самому білку; ці заряди притягуються до протилежних, що існують на мембрані, і таким чином канал при зміністану мембрани відкривається та закривається. Коли він відкритий, іони натрію можуть безперешкодно проникати крізь нього клітину по градієнту концентрації. Це дуже короткий момент часу – буквально частки мілісекунди.
Калієві канали влаштовані ще простіше: це окремі субодиниці, що мають у розрізі трапецієподібну форму; вони розташовані майже впритул один до одного, але між ними завжди залишається зазор. Калієві канали не закриваються до кінця, у стані спокою калій вільно йде з цитоплазми (за градієнтом концентрації).
І натрієві, і калієві канали є потенціал-залежними вони працюють залежно від змін електричного потенціалу мембрани.
p align="justify"> При формуванні потенціалу дії відбувається різка короткочасна перезарядка мембрани. Це забезпечується кількома послідовними процесами.
Спочатку під впливом зовнішнього подразнення (наприклад, електричного струму) мембрана деполяризується - тобто заряди з різних сторін змінюються на протилежні (всередині клітини заряд переходить в позитивний, зовні - в негативний). Це є сигналом до відкриття натрієвих каналів, яких на поверхні однієї мембрани величезна кількість може бути до 12 тисяч. Момент, у який починають відкриватися канали, зветься критичного рівня деполяризації. Струм, який дає цю критичну деполяризацію, названий пороговим.
Цікаво, що підвищення сили струму після досягнення порогової величини не змінює характеристик, що отримується в результаті потенціалу дії. Значення для відкриття каналів має не амплітуда струму, а отримана мембраною кількість енергії - кількість електрики. Ця закономірність отримала назву «все чи нічого» - або є повноцінна відповідь на роздратування при його величині від порогової і вище,або відповіді немає взагалі, якщо роздратування порогової величини не досягло. При цьому значення порогової величини визначається тривалістю подразнення, що подається.
Справді цей закон, щоправда, лише у межах окремої клітини. Якщо брати, наприклад, нерв, складений великою кількістю різних аксонів, амплітуда теж матиме значення, тому що відповідь на роздратування ми побачимо лише тоді, коли канали активуються у всіх клітинах, тобто при більшому сумарному значенні порогового струму.
Після відкриття каналів натрій починає надходити в клітину, і його струм значно перевищує струм калію, що виходить по градієнту. Це означає, що проникність мембрани для натрію стає більшою, ніж для калію. У певний момент відкриваються майже всі натрієві канали. Це відбувається лавиноподібно: від тієї точки, до якої прийшов стимул, обидві сторони. Таким чином, концентрація натрію у клітині різко підвищується.
Після цього концентрації іонів мають повернутися до вихідних. Це забезпечує таку загальну властивість каналів, як рефрактерність: канал, який спрацював, якийсь час після цього неактивний і не може збудитися під дією стимулу дратівливого.
Натрієві канали в момент максимальної відповіді на подразнення стають рефрактерними, проникність натрію різко падає. Калієві канали, навпаки, починають активно працювати, і струм калію з клітини зростає. Таким чином, з клітини йде надлишок позитивно заряджених іонів і відновлюється початковий потенціал спокою. Цей період, поки не відновляться натрієві канали і вихідний потенціал (це може займати близько мілісекунди), клітина не здатна збудитися.
Оскільки здатність клітин до збудження забезпечує роботу організму як цілого та можливістьцентрального контролю всіх клітин організму, отрути, що блокують канали, є одними з найнебезпечніших для людини та багатьох тварин.
Один із найстрашніших блокаторів каналів - тетродотоксин, речовина, що виробляється рибою фугу. Для нього значення LD50 (50% Level of Death — доза, від якої помруть 50 осіб із ста) дорівнює 10 міліграм на кілограм ваги, тобто приблизно в тисячу разів менше, ніж для ціаніду. Його молекули зв'язуються міцним зв'язком з білком натрієвого каналу, коли він у закритому стані, та повністю блокують можливість виникнення потенціалу дії. Подібні токсини виробляють деякі водорості. Отрута скорпіона, навпаки, тримає всі канали постійно відкритому стані.
Ну гаразд скорпіон, а от навіщо така страшна зброя водоростям — загадка.