Потенциал действия - волна возбуждения, перемещающаяся по мембране живой клетки в процессе передачи нервного сигнала. По сути своей представляет электрический разряд - быстрое кратковременное изменение потенциала на небольшом участке мембраны возбудимой клетки (нейрона, мышечного волокна или железистой клетки), в результате которого наружная поверхность этого участка становится отрицательно заряженной по отношению к соседним участкам мембраны, тогда как его внутренняя поверхность становится положительно заряженной по отношению к соседним участкам мембраны. Потенциал действия является физической основой нервного или мышечного импульса, играющего сигнальную (регуляторную) роль [2].

Схема распределения зарядов по разные стороны мембраны возбудимой клетки в спокойном состоянии (A) и при возникновении потенциала действия (B)

1.2.1 Явления, лежащие в основе потенциала действия

Потенциалы действия могут различаться по своим параметрам в зависимости от типа клетки и даже на различных участках мембраны одной и той же клетки. Наиболее характерный пример различий: потенциал действия сердечной мышцы потенциал действия большинства нейронов. Тем не менее, в основе любого потенциала действия лежат следующие явления [5]:

мембрана живой клетки поляризована - ее внутренняя поверхность заряжена отрицательно по отношению к внешней благодаря тому, что в растворе возле её внешней поверхности находится большее количество положительно заряженных частиц (катионов), а возле внутренней поверхности - большее количество отрицательно заряженных частиц (анионов).

мембрана обладает избирательной проницаемостью - ее проницаемость для различных частиц (атомов или молекул) зависит от их размеров, электрического заряда и химических свойств.

мебрана возбудимой клетки способна быстро менять свою проницаемостъ для определённого вида катионов, вызывая переход положительного заряда с внешней стороны на внутреннюю (Рисунок 1).

Первые два свойства характерны для всех живых клеток. Третье же является особенностью клеток возбудимых тканей и причиной, по которой их мембраны способны генерировать и проводить потенциалы действия.

1.2.2 Фазы потенциала действия

Предспайк - процесс медленной деполяризации мембраны до критического уровня деполяризации (местное возбуждение, локальный ответ) [13].

Пиковый потенциал, или спайк, состоящий из восходящей части (деполяризация мембраны) и нисходящей части (реполяризация мембраны).

Отрицательный следовой потенциал - от критического уровня деполяризации до исходного уровня поляризации мембраны (следовая деполяризация).

Положительный следовой потенциал - увеличение мембранного потенциала и постепенное возвращение его к исходной величине (следовая гиперполяризация).

На рисунках 2, 3 приведены схематический и реальный потенциалы действия.

Схематический потенциал действия

Ход реального потенциала действия

Поляризация мембраны живой клетки обусловлена отличием ионного состава с ее внутренней и наружной стороны. Когда клетка находится в спокойном (невозбуждённом) состоянии, ионы по разные стороны мембраны создают относительно стабильную разность потенциалов, называемую потенциалом покоя. Если ввести внутрь живой клетки электрод и измерить мембранный потенциал покоя, он будет иметь отрицательное значение (порядка (-70…-90 мВ). Это объясняется тем, что суммарный заряд на внутренней стороне мембраны существенно меньше, чем на внешней, хотя с обеих сторон содержатся и катионы, и анионы. Снаружи - на порядок больше ионов натрия, кальция и хлора, внутри - ионов калия и отрицательно заряженных белковых молекул, аминокислот, органических кислот, фосфатов, сульфатов. Надо понимать, что речь идёт именно о заряде поверхности мембраны - в целом среда и внутри, и снаружи клетки заряжена нейтрально.

Потенциал мембраны может изменяться под действием различных стимулов. Искусственным стимулом может служить электрический ток, подаваемый на внешнюю или внутреннюю сторону мембраны через электрод. В естественных условиях стимулом часто служит химический сигнал от соседних клеток, поступающий через синапс или путём диффузной передачи через межклеточную среду. Смещение мембранного потенциала может происходить в отрицательную (гиперполяризация) или положительную (деполяризация) сторону. В нервной ткани потенциал действия, как правило, возникает при деполяризации - если деполяризация мембраны нейрона достигает некоторого порогового уровня или превышает его, клетка возбуждается, и от её тела к аксонам и дендритам распространяется волна электрического сигнала. (В реальных условиях на теле нейрона обычно возникают постсинаптические потенциалы, которые сильно отличаются от потенциала действия по своей природе - например, они не подчиняются принципу "всё или ничего". Эти потенциалы преобразуются в потенциал действия на особом участке мембраны - аксонном холмике, так что потенциал действия не распространяется на дендриты).

Простейшая схема, демонстрирующая мембрану с двумя натриевыми каналами в открытом и закрытом состоянии, соответственно

Это обусловлено тем, что на мембране клетки находятся ионные каналы - белковые молекулы, образующие в мембране поры, через которые ионы могут проходить с внутренней стороны мембраны на наружную и наоборот. Большинство каналов ионоспецифичны - натриевый канал пропускает практически только ионы натрия и не пропускает другие (это явление называют селективностью). Мембрана клеток возбудимых тканей (нервной и мышечной) содержит большое количество потенциал-зависимых ионных каналов, способных быстро реагировать на смещение мембранного потенциала. Деполяризация мембраны в первую очередь вызывает открытие потенциал-зависимых натриевых каналов. Когда одновременно открывается достаточно много натриевых каналов, положительно заряженные ионы натрия устремляются через них на внутреннюю сторону мембраны. Движущая сила в данном случае обеспечивается градиентом концентрации (с внешней стороны мембраны находится намного больше положительно заряженных ионов натрия, чем внутри клетки) и отрицательным зарядом внутренней стороны мембраны (рисунок 4). Поток ионов натрия вызывает еще большее и очень быстрое изменение мембранного потенциала, которое и называют потенциалом действия.

Возникнув в той или иной части растения, потенциал действия распространяются по нему обычно со скоростью нескольких сантиметров в секунду (или в минуту) и, таким образом, передают известие о внешнем раздражении. Как известно, у животных проводниками потенциала действия являются нервные волокна. Их возникновение в ходе эволюции было большим шагом вперед в развитии этих организмов. Давно известно, что проводящие пучки служат для транспортировки по растению воды и питательных веществ.Д. Бос одним из первых экспериментально доказал причастность проводящих пучков высших растений к распространению потенциала действия. Для этого он использовал разработанный им метод электродного зондирования. Суть метода состояла в том, что с помощью микровинтов в ткани растения погружали металлический микроэлектрод, который был соединен с измерительной установкой. Таким образом, можно было отводить электрические сигналы от разных зон стебля или черешка. На основании этих опытов Д. Бос пришел к выводу, что только в проводящих пучках происходит распространение потенциала действия. При этом важно, что электрические импульсы распространяются не по крупным сосудам, а по мелким пучковым клеткам (мелким клеткам флоэмы и протоксилемы). Это свидетельствует о том, что каналы передвижения веществ и распространения электрических импульсов в проводящих пучках пространственно разделены. Следовательно, у растений, хотя и отсутствуют специальные образования (наподобие нервов), приспособленные только для проведения потенциала действия, в проводящих пучках имеются особые ткани, выполняющие эту функцию [33].

С помощью современных экспериментальных приемов этот вопрос детально исследовали в нашей лаборатории. Применяя зондирование стебля тыквы микроэлектродом, мы установили, что в месте раздражения потенциала действия возникают примерно одинаковой амплитуды не только в указанных выше мелких клетках пучка, но и в клетках окружающей его основной паренхимы (рисунок 4). Однако, на расстоянии от этого места потенциалы действия регистрируются только в проводящих пучках. Таким образом, потенциал действия генерируют как пучковые, так и внепучковые клетки, но проводить его могут только первые. Причина этих различий лежит в особенностях межклеточных связей. У мелких пучковых клеток такие связи (в частности, с помощью специальных пор-плазмодесм) выражены гораздо лучше, что и обеспечивает их лучшую способность проводить потенциал действия.

Когда стало ясно, что потенциал действия у высших растений - это весьма универсальное и широко распространенное явление, возник вопрос о том, что же они собой представляют. Конечно, они очень напоминают потенциал действия нервов. Поскольку генерация потенциала действия у животных связана с передвижением через возбудимую мембрану ионов натрия и калия, то поведение ионов при генерации потенциала действия у растений естественно нас очень интересовало. Применяя различные методы исследования, в том числе и метод меченых атомов, мы показали, что, когда в растении генерируется потенциал действия, так же как и в нерве, возникают ионные потоки. Вначале под влиянием внешнего раздражителя увеличивается проницаемость мембраны для ионов кальция в результате открывания кальциевых каналов. Ионы кальция входят внутрь проводящих потенциал действия клеток, поскольку их больше во внешней среде. Войдя внутрь возбудимых клеток, они активируют хлорные каналы, которые открываются. Это приводит к возникновению направленного наружу потока ионов хлора, так как их концентрация выше внутри клеток. Поток отрицательно заряженных ионов хлора наружу приводит к деполяризации мембраны, поскольку ее внешняя сторона заряжена положительно, а внутренняя - отрицательно. Возникает восходящая ветвь потенциала действия. Деполяризация мембраны способствует открыванию калиевых каналов и возникновению направленного наружу потока ионов калия, которых, также как и ионов хлора, больше внутри клетки, чем в наружной среде. Нетрудно понять, что этот поток будет оказывать на мембранный потенциал реполяризующее действие, то есть приводить к восстановлению его исходного значения.

Нарисованная картина очень напоминает то, что происходит при генерации потенциала действия в нерве, только вместо ионов натрия в качестве деполяризующего иона у высших растений выступают ионы хлора. Это представляется чрезвычайно важным заключением, поскольку свидетельствует об общности механизмов генерации потенциала действия в живой природе. Что касается механизма распространения потенциала действия у растений, то он также подобен таковому у животных. Деполяризация участка ткани в месте генерации потенциала действия приводит к возникновению круговых местных токов, протекающих между деполяризованным возбужденным участком ткани и соседними участками, где мембранный потенциал клеток сохраняет нормальный уровень. Эти токи деполяризуют соседние с возбужденным участком области, что приводит к возникновению в них потенциала действия и таким образом к его распространению от исходного места. Ярким подтверждением такого механизма являются опыты с изменением электропроводности окружающей среды. Если вокруг участка проводящего пучка растения поместить раствор вазелинового масла (непроводящая среда, препятствующая возникновению круговых токов), то, дойдя до этого места, ПД дальше не распространяется.

1.2.3 Объяснение возникновения потенциала покоя

Возникновение разности потенциалов на полупроницаемой мембране проиллюстрировано на рисунках 5-6 [34]:

Исходное состояние до возникновения разности потенциалов на полупроницаемой мембране.

Конечное состояние после возникновение разности потенциалов на полупроницаемой мембране.

Рассмотрим исходное и конечное состояния более подробно. Полупроницаемая мембрана обозначена буквой Б. Она пропускает положительные ионы калия, но не пропускает анионы. Глядя на рисунок 5, видим, что в исходном состоянии в наружной среде, то есть в среде с низкой концентрацией ионов, ионов калия (обозначены черными точками) мало; а во внутренней среде, где концентрация ионов внутри клетки высокая, ионов калия значительно больше. Следовательно, и там, и там заряды ионов калия компенсируются отрицательными зарядами анионов. Ситуация, представленная на рисунке 6, объясняет конечное состояние динамического равновесия: часть ионов калия проникла через полупроницаемую мембрану, снаружи положительных зарядов стало больше, чем отрицательных, внутри - наоборот. Таким образом, анионы тянут "убежавшие" ионы калия назад, в результате, потоки ионов калия через мембрану в ту и в другую стороны становятся равными, то есть, возникает нернстовский потенциал.

Рассмотрим ситуацию, когда внутри клетки имеется много свободных ионов какого-либо элемента, например, калия, а снаружи таких ионов нет или их гораздо меньше. Пусть клеточная мембрана пропускает только ионы калия К+ и не пропускает никаких других ионов. Тогда ионы калия К+ начнут выходить из клетки, где их много, наружу (двигаться по градиенту концентрации, диффундировать). Вместе с ними будет выноситься наружу их положительный заряд. Внутрь через мембрану будет проходить мало ионов, так как снаружи мало калия. В результате, на клеточной мембране будет возникать разность потенциалов: снаружи клетки "плюс", а внутри - "минус" (рисунок 5,6). Эта разность потенциалов будет тормозить движение новых положительных заряженных ионов калия наружу и увеличивать поток этих ионов внутрь. Когда потоки ионов наружу и внутрь сравняются, установится динамическое равновесие и на мембране будет поддерживаться постоянная разность потенциалов. Это и есть потенциал покоя. Величина потенциала покоя описывается формулой Нернста (2).

,

где - разность потенциалов на мембране;

- число Фарадея;

- газовая постоянная;

- температура;

- концентрация ионов снаружи клетки;

- концентрация ионов внутри клетки;

- валентность i-того иона.

1.2.4 Роль потенциала действия у высших растений

Мы подошли к одному из самых важных вопросов проблемы потенциалов действия у растений [24]. Полученные в настоящее время результаты позволяют утверждать, что у высших растений распространяющиеся потенциалы действия выполняют вполне определенную функциональную роль. Они служат наиболее быстрым сигналом об изменениях в среде их обитания. Однако, при этом надо иметь в виду, что у растений нет центральной нервной системы - этой "диспетчерской", откуда управляющие сигналы после поступления туда информации о внешнем раздражителе направляются к различным органам. У растений потенциал действия сам несет в себе возможность непосредственно влиять на функции органов и тканей, по которым он распространяется. Это связано, прежде всего, с тем, что при прохождении потенциала действия по данному участку ткани или в месте, до которого он дошел, сильно меняется ионный состав, в особенности содержание ионов калия и хлора, которые, как мы видели, выходят из возбудимых клеток при генерации импульса. В результате, их концентрации в окружающих проводящий пучок тканях могут увеличиться. Меняется соотношение и других ионов, хотя и в меньшей степени. В то же время известно, что уровень обменных процессов в ткани сильно зависит от ионного состава. Поэтому потенциал действия в состоянии оказывать влияние на органы или ткани, по которым они распространяются или которых они достигают. При этом следует иметь в виду, что возникновение потенциала действия в ответ на действие внешнего раздражителя неспецифично, то есть самые разные воздействия вызывают, как правило, однотипную электрическую реакцию. Кроме того, у растений обычно в ответ на действие раздражителя генерируются одиночные импульсы (в отличие от животных, у которых возникают ритмически повторяющиеся потенциалы действия). Исходя из этого, можно заключить, что у высших растений распространяющиеся потенциалы действия не имеют специфической информационной нагрузки, а являются скорее сигналом о каком-то внешнем воздействии. Сам по себе потенциал действия как сигнал неспецифичен, но в тканях и органах наряду с общими неспецифическими явлениями он вызывает изменение некоторых специфических процессов, свойственных данному органу (например, в листьях изменение фотосинтеза, в корнях усиление поглощения веществ и т.д.).

Сигнальная роль потенциала действия проявляется, прежде всего, в ряде естественных процессов [7]. Например, при попадании пыльцы на рыльце пестика в нем возникают многочисленные электрические импульсы, распространяющиеся по направлению к завязи. Это запускает цикл процессов, подготавливающих завязь к восприятию пыльцы и оплодотворению. Потенциалы действия возникают и в усиках вьющихся растений при соприкосновении с механической опорой и, по-видимому, способствуют их лучшей ориентации в пространстве. При умеренных изменениях в состоянии окружающей среды также могут возникать потенциалы действия, причем они иногда генерируются в ответ на очень слабые воздействия (например, перепад температур всего от одного до двух градусов). Генерация потенциала действия растением в этом случае, казалось бы, лишена какого-либо смысла. Для растения и в этом случае генерация электрических импульсов имеет определенный смысл, состоящий, как нам удалось показать, в своеобразном "предупреждении" его органов и тканей о вполне вероятных весьма существенных изменениях во внешних условиях. Например, незначительный перепад температур в сторону охлаждения сам по себе может быть и незначим для растения, однако он может свидетельствовать о возможном предстоящем заметном понижении температуры окружающей среды.

Предупреждающая роль потенциала действия сводится, как оказалось, к временному повышению устойчивости органов и тканей растения к неблагоприятным воздействиям [26]. Это временное повышение устойчивости носит, по-видимому, неспецифический характер (то есть проявляется по отношению к разным воздействиям) и может рассматриваться как своеобразная предадаптация. Она служит как бы подготовкой к глубокой адаптации, если вслед за "предупреждением", действительно, наступит усиление данного внешнего фактора (например, вслед за незначительным понижением температуры резкое похолодание).

Таким образом, можно считать, что при действии слабых и умеренных раздражителей мы имеем дело с ролью потенциала действия, которая связана с опережающим отражением действительности. Отсюда нами было сделано заключение, что растениям свойственна элементарная недифференцированная чувствительность.

Постулируя у высших растений наличие определенной чувствительности, было бы неверно утверждать вслед за Бекстером, что эта чувствительность соответствует эмоциональным восприятиям животных (например, что растения чувствуют человека, который повредил их, и при его появлении реагируют усиленной генерацией электрических импульсов). Это именно элементарная чувствительность, но она, очевидно, играет существенную роль во взаимоотношениях растения со средой. Наконец, при действии сильных раздражителей потенциалы действия выполняют роль первичной экстренной сигнальной связи, которая позволяет растению оперативно начать перестройку жизненных функций в экстраординарных условиях. Итак, по современным представлениям сигнальной функции потенциала действия принадлежит вполне определенная роль в осуществлении быстрых взаимодействий высших растений с окружающей средой.

2. Исследование изменения потенциала действия от температуры