Механізм патэнцыйнага дзеяння ў нервовых клетках
Пендахулуан
Нервовыя клеткі, або нейроны, з'яўляюцца асновай нервовай сістэмы і выконваюць функцыю перадачы інфармацыі па ўсім целе. Адным з асноўных механізмаў, якія забяспечваюць гэтую перадачу інфармацыі, з'яўляецца патэнцыял дзеяння. Патэнцыял дзеяння — гэта хуткае і кароткачасовае змяненне напружання мембраны нервовай клеткі, якое дазваляе электрычнаму сігналу праходзіць па аксоне ад аднаго канца нейрона да іншага. У гэтым артыкуле будуць падрабязна разгледжаны асноўныя механізмы, працэс пранікнення іонаў, які ляжыць у аснове, і этапы, якія ўдзельнічаюць у працэсе патэнцыялу дзеяння.
Асноўная структура нейронаў
Перш чым зразумець механізм патэнцыялаў дзеяння, важна зразумець асноўную структуру саміх нейронаў. Нейроны маюць тры асноўныя кампаненты: сому (цела клеткі), дендрыты і аксоны.
– Сома: гэта асноўная частка нейрона, якая змяшчае ядро і іншыя арганэлы. Сома з'яўляецца цэнтрам метабалічнай актыўнасці нейрона.
– Дэндрыты: гэта кароткія галінастыя валокны, якія атрымліваюць сігналы ад іншых нейронаў і перадаюць іх у сому.
– Аксон: доўгая, тонкая структура, якая перадае сігналы ад сомы да іншых нейронаў або да эфектарных клетак.
На канцы аксона знаходзіцца аксональны тэрмінал, адкуль у сінапс вызваляюцца нейрамедыятары, якія затым уздзейнічаюць на мэтавы нейрон.
Асновы электрафізіялогіі
Напружанне мембраны з'яўляецца ключавым элементам механізму патэнцыялу дзеяння. У стане спакою нейроны маюць мембранны патэнцыял спакою прыблізна -70 мВ. Гэта азначае, што ўнутры клеткі больш адмоўная энергія, чым звонку. Гэты патэнцыял генеруецца размеркаваннем іонаў, такіх як натрый (Na+), калій (K+), хларыд (Cl-) і арганічныя аніёны ўнутры і звонку клеткі, што рэгулюецца паўпранікальнай плазматычнай мембранай.
Натрыева-каліевая помпа (Na+/K+ АТФаза) адыгрывае вырашальную ролю ў падтрыманні гэтага размеркавання іонаў. Кожная малекула АТФ, якая гідралізуецца, выпампоўвае тры іоны натрыю з клеткі і два іоны калію ў клетку, падтрымліваючы электрахімічны градыент.
Механізм патэнцыялу дзеяння
Этап 1: Дэпалярызацыя
Патэнцыял дзеяння пачынаецца, калі нейрыт (дэндрыт або цела клеткі) атрымлівае стымул, дастаткова моцны, каб дасягнуць парога (-55 мВ). Па меры набліжэння мембраннага патэнцыялу да гэтага парога пачынаюць адкрывацца напружаннезалежныя натрыевыя каналы, размешчаныя ў мембране аксона. Іоны натрыю, якія прысутнічаюць у высокіх канцэнтрацыях па-за клеткай, хутка пранікаюць у нейрон, выклікаючы хуткую дэпалярызацыю нейрональнай мембраны. Гэта прыводзіць да таго, што ўнутраная частка нейрона становіцца больш станоўчай, дасягаючы прыблізна +30 мВ.
Этап 2: Пікавы патэнцыял дзеяння
Калі мембрана дасягае прыблізна +30 мВ, натрыевыя каналы аўтаматычна пачынаюць зачыняцца, а напружаннезалежныя каліевыя каналы пачынаюць адкрывацца. У гэты момант дасягаецца пік патэнцыялу дзеяння.
Этап 3: Рэпалярызацыя
Пасля дасягнення піка патэнцыялу дзеяння нейрон пачынае вяртаць свой мембранны патэнцыял у стан спакою. Калі адкрываюцца напружаннезалежныя каліевыя каналы, іоны калію, якія прысутнічаюць у высокіх канцэнтрацыях унутры клеткі, пачынаюць пакідаць нейрон. Гэта вызваленне K+ прыводзіць да таго, што мембрана нейрона становіцца больш адмоўнай, працэс, вядомы як рэпалярызацыя.
Этап 4: Гіперпалярызацыя і рэстытуцыя
Часам празмерны адток іонаў калію прыводзіць да таго, што мембрана становіцца больш адмоўнай, чым яе нармальны патэнцыял спакою (ніжэй за -70 мВ), гэтая фаза вядомая як гіперпалярызацыя. Падчас гіперпалярызацыі нейрон пераходзіць у абсалютны, а затым у адносны рэфрактэрны перыяд, на працягу якога ён менш ці менш рэагуе на новыя раздражняльнікі. Затым натрыева-каліевы помпа эфектыўна вяртае размеркаванне іонаў у стабільны стан спакою.
Этап 5: правядзенне патэнцыялу дзеяння
Пасля дэпалярызацыі аднаго сегмента мембраны аксона патэнцыял дзеяння распаўсюджваецца па аксоне, як хваля. Натрыевыя каналы ў наступных сегментах мембраны аксона адкрываюцца паслядоўна. Гэты працэс дазваляе электрычнаму сігналу эфектыўна распаўсюджвацца да канцавога пункта аксона.
У нейронах з міэлінавымі абалонкамі праводнасць патэнцыялу дзеяння яшчэ больш эфектыўная дзякуючы працэсу, які называецца сальтатарнай праводнасцю, пры якім патэнцыял дзеяння «пераскоквае» з аднаго вузла Ранв'е на наступны. Міэлін дзейнічае як ізалят, прадухіляючы ўцечку іонаў, тым самым паскараючы перадачу сігналу.
Фізіялагічная і клінічная значнасць
Механізмы патэнцыялу дзеяння не толькі ляжаць у аснове асноўных функцый нервовай сістэмы, але і маюць значэнне ў розных клінічных і фізіялагічных станах. Напрыклад, парушэнне іённых каналаў можа прывесці да розных неўралагічных захворванняў, такіх як рассеяны склероз, эпілепсія і некаторыя віды неўрапатыі.
Рассеяны склероз (РС): пры РС міэлінавая абалонка, якая пакрывае аксоны, пашкоджваецца ўласнай імуннай сістэмай арганізма. Гэта парушае сальтатарную праводнасць, у выніку чаго нервовыя сігналы перадаюцца запавольней або нават цалкам спыняюцца.
Эпілепсія: Гэты стан часта выкліканы парушэннем функцыі іённых каналаў, што прыводзіць да гіперактыўнасці і некантралюемай актыўнасці нейронаў, што прыводзіць да курчаў.
Неўрапатыя: некаторыя тыпы неўрапатыі ўзнікаюць з-за пашкоджання або дысфункцыі міэлінавай абалонкі або саміх нервовых клетак, што перашкаджае перадачы патэнцыялаў дзеяння і прыводзіць да такіх сімптомаў, як боль, здранцвенне або слабасць.
Выснова
Патэнцыял дзеяння — гэта складаная, але важная электрафізіялагічная з'ява для функцыянавання нервовай сістэмы. Гэты працэс уключае ў сябе шэраг стадый, пачынаючы ад дэпалярызацыі, пікавага патэнцыялу дзеяння, рэпалярызацыі і гіперпалярызацыі, і ўсе яны рэгулююцца дынамікай іённых каналаў. Разуменне гэтых механізмаў не толькі дае фундаментальнае разуменне таго, як інфармацыя перадаецца ў нервовай сістэме, але і стварае аснову для разумення і распрацоўкі метадаў лячэння розных неўралагічных захворванняў.
З пастаянна пашыраючыміся ведамі ў гэтай галіне расце патэнцыял для адкрыцця больш эфектыўных тэрапеўтычных умяшанняў пры захворваннях нервовай сістэмы, што дае новую надзею многім пацыентам па ўсім свеце.
