Розділ 3 Біоелектричні потенціали

Біоелектричні потенціали - це електрична енергія, що відіграє певну роль у процесах життєдіяльності. У ході Генерації біоелектричних потенціалів хімічна енергія переходить в електричну. Значна частина енергії обміну речовин витрачається живими клітинами на створення нерівномірною розподілу іонів і Генерацію біоелектричних потенціалів. Виникає питання, для чого це необхідно. Біоелект­ричні потенціали забезпечують одну з основних властивостей живого - його збу­дливість, тобто здатність переходити в активний стан під дією зовнішніх факторів. Усі впливи зовнішнього середовища трансформуються в електричну енергію збудження клітин. Одним із проявів збудження є електричний процес, який нази­вається потенціалом дії. Потенціал дії як коливний процес виникає на основі мембранного потенціалу - постійної різниці потенціалів між зовнішньою і внутрішньою поверхнями мембрани клітин. Отже, електрична енергія у живих системах відіграє роль носія інформації, за участю якої здійснюється регуляція і управління, Крім того, електричне поле мембрани регулює проникність мембра­ни для катіонів і аніонів. Є відомості, що електричне поле мембрани визначає функцію деяких ферментів. Є організми, які використовують електричну енергію для захисту і нападу (електричні риби). У деяких риб електричні імпульси слу­жать для орієнтації у мутній воді.

Біоелектричні явища відкрив у 1791 р. італійський вчений Л.Гальвані. У минулому їх досліджували А.Вольта, Г.Дюбуа-Реймон, Л.Герман, Ю.Бернштейн, В.Ю.Чаговець і інші. Значні успіхи у з'ясуванні механізмів генерації біо­електричних потенціалів отримано в останні часи завдяки дослідженням А.Ходжкіна, Б.Катца, П.Г.Костюка, М.Ф.Шуби, В.І.Скока, І.С.Магури, О.О.Кришталя та інших.

3.1. Мембранний потенціал спокою

Сучасні електрофізіологічні дослідження, у яких використовували внутрішньоклітинні мікроелектроди, засвідчили, що між зовнішньою і внутрішньою поверхнями плазматичної мембрани клітин існує різниця потенціалів, яка у стані спокою (за відсутності збудження або гальмування) становить переважно -60...-90 мВ і називається мембранним потенціалом спокою. Мембранний потенціал спокою фактично характеризує величина потенціалу внутрішньої поверхні мембрани, яка відносно землі (нульовий потенціал) заряджена негативно. У скелетних м'язових волокнах мембранний потенціал спокою досягає -95 мВ, у кардіоміоцитах не перевищує -85 мВ, у клітинах гладеньких м'язів досягає -60 мВ, у нервових клітинах і волокнах не перевищує -80 мВ, у секреторних клітинах коли­вається від -20 до -60 мВ. Наявність мембранного потенціалу - характерна особливість живих клітин, з їх відмиранням він зникає.

Згідно сучасної мембранної теорії, провідну роль у генерації мембранного потенціалу відіграє плазматична мембрана клітин, яка забезпечує асиметричний розподіл іонів між цитоплазмою і міжклітинним середовищем (завдяки наявності у ній натрійкалієвої помпи) й яка характеризується різною проникністю для іонів імвдяки селективності іонних каналів.

Електронно-мікроскопічними дослідженнями вдалось підтвердити наяв­ність плазматичної мембрани, існування якої передбачали електрофізіологи у ми­нулому, і виміряти її товщину. На електронно-мікроскопічних знімках вона має ппгляд тришарової плівки з товстішим середнім шаром. Товщина всієї мембрани І ііновить 7-10 нм. Сьогодні переконливо встановлено, що плазматична мембрана побудована з ліпідів, білків, вуглеводів, неорганічних іонів (в основному кальцію) і води. Запропоновано різні моделі структурної організації мембрани. Найбільш прийнятною є рідинно-мозаїчна модель мембрани.

За цією моделлю основу, або матрикс, мембрани утворює бімолекулярний фоефоліпідний шар, в якому гідрофобні хвости молекул напрямлені назустріч Один одному в середину мембрани, а гідрофільні (полярні) головки – назовні. Крім фосфоліпідів, мембрана містить і деяку кількість інших ліпідів (гліколіпіди, іолестерин). Ліпідні молекули можуть змінювати своє розташування у межах моношару (латеральна дифузія) і навіть переміщатись з одного шару в інший (фліп-флоп).

Рідинно-мозаїчна модель мембрани передбачає, що білкові молекули не утворюють суцільних шарів, їх поділяють на дві групи: периферичні та внутріш­ні, або інтегральні. Периферичні білки - гідрофільні і утримуються на внутріш­ню та зовнішній поверхнях мембрани електростатичними силами. Інтегральні білки занурюються у ліпідний матрикс і навіть пронизують його.

Зовнішня поверхня плазматичної мембрани тваринних клітин (глікокалікс) має щонайменше три основні вуглеводні компоненти: гліколіпіди, глікопротеїни і кислі мукополісахариди. Вода у мембрані перебуває у вільному і зв'язаному станах. Зв'язана вода входить до складу білково-ліпідних комплексів і бере участь у процесі гідратації.

Плазматична мембрана розмежовує внутрішнє середовище клітин від зовНІїшіього, але й підтримує зв'язок між ними. її роль пов'язують з багатьма функціями: структурною, бар'єрною, осмотичною, транспортною, електричною, енергетичною, рецепторно-регуляторною та іншими. Менше уваги приділяється в біологічній літературі мембрані як "апарату" подразнення клітин. За твердженням акад. Д.С.Воронцова, всі клітини мають на своїй поверхні "апарат" по­дразнення, який представлений мембраною з наявною на ній різннцаю потенці­алів. Плазматичну мембрану клітин можна порівняти з конденсатором. Своєрідними пластиками цього конденсатора є внутрішньоклітинне та зовнішньоклітинне середовища, які є добрими провідниками. Діелектриком служить матеріал мембрани, в основному бімолекулярний ліпідний шар. Електричний опір ме­мбрани становить 1000 Омсм², а ємність - 1 мкФ/см². Завдяки цим властивостям мембрана здатна витримувати значну різницю потенціалів (близько 0,1 В).

Бар'єрна функція ліпідного бішару забезпечує утримання асиметричного, або нерівномірного, розподілу іонів між цитоплазмою і міжклітинним середови­щем. У цитоплазмі клітин знаходиться вища концентрація калію, нижча концен­трація натрію і хлору і значно нижча концентрація кальцію, ніж у міжклітин­ному середовищі. Наприклад, у волокнах скелетних м'язів ссавців міститься (у ммоль/л): К⁺ - 155,0, №⁺ -12,0, СІ" - 3,8, а у міжклітинному просторі: К⁺ - 4,0, Иа⁺ - 145,0, СГ - 120,0. У цитоплазмі клітин катіони калію збалансовані великими ор­ганічними аніонами, які синтезуються тут і не можуть покинути клітини. Слід на­голосити, що іони калію перебувають у цитоплазмі у вільному, а не у зв'язаному стані. Асиметричний розподіл іонів вказує на їх градієнт концентрації, який спрямований для калію й органічних аніонів назовні, а для натрію і хлору в се­редину клітини.

Асиметричний розподіл іонів утворюється завдяки роботі натрій-калієвої помпи, що активно (з затратою енергії АТФ) транспортує через мембрану іони проти ірадієнтів концентрації: калій - у клітину, а натрій - з клітини. Функцію натрій-калієвої помпи виконує фермент Na⁺,К⁺-АТФ-аза - інтегральний білок, який складається з двох а- і двох р-субодиниць. Кожна а-субодиниця пронизує мембрану наскрізь, а р»субодиниці містять вуглеводні групи з зовнішньої поверх­ні мембрани. Ма⁺,К⁺-АТФ-аза активується внутрішньоклітинним натрієм і зов-нішньоклітинним калієм, інгібується строфантином. Чинники, що пригнічують синтез АТФ (монойодацетат, динітрофенол, ціаніди) гальмують роботу натрій-калієвої помпи, в результаті чого градієнти концентрації іонів поступово вирів­нюються, а мембранний потенціал зменшується. Л-субодиниці мають з боку ци­топлазми ділянки, що відповідають за гідроліз АТФ, а з зовнішнього - ділянки зв 'язування строфантину.

Градієнти концентрації іонів служать рушійною силою для їх дифузії через мембрану, якщо мембрана проникна для них. Проникнення іонів через мембрану за градієнтами концентрації називається пасивним транспортом. Дня полегше­ної дифузії іонів через мембрану служать іонні канали. Вони є інтегральними білками. Іонні канали неоднорідні. Для проникнення кожного виду іонів (калію, натрію, хлору і кальцію) служить окремий тип каналів. Навіть для проникнення одного і того ж виду іонів у спокої і при збудженні служать різні канали. Розрізняють канали витоку (для проникнення іонів у спокої), потенціалозалежні і хемочутливі іойні канали. Потенціалозалежні іонні канали у спокої закриті і не пропускають іонів. Вони відкриваються (активуються) у відповідь на деполяри-шцію мембрани і забезпечують проникнення іонів під час генерації потенціалів дії. Хемочутливі іонні канали також закриті у стані спокою, відкриваються (ак­тивуються) під впливом медіаторів і забезпечують проникнення іонів під час ге­нерації постсинаптичних потенціалів. Отже, у стані спокою відкриті тільки канали витоку, позбавлені ворітних механізмів. Вони забезпечують проникнення іонів під час генерації мембранного потенціалу спокою. Для вибіркового проник­нення іонів канали витоку мають селективні фільтри. Потенціалозалежні і хемо­чутливі канали мають селективні фільтри і активаційні ворота, які в стані спо­кою закриті.

Мембрана характеризується у спокої різною проникністю для іонів завдяки різній провідності її каналів: найбільш проникна вона для калію, менше - для хло­ру, ще менше - для натрію. Кальцій у стані спокою практично не проникає У клі­тини. Проникність мембрани для кожного з іонів оцінюють коефіцієнтами про­никності (Р), які для мембрани гігантського аксона кальмара співвідносяться між собою як:

Р_к:Р_Na:Р_Cl=1: 0,04 : 0,45.

Оскільки мембрана у спокої найбільш проникна для іонів калію, деяка їх кількість дифундує з клітини і зосереджується на зовнішній поверхні мембрани, де утримується електростатично внутрішньоклітинними органічними аніонами, які не можуть покинути клітину разом з калієм. Так створюється розділення по­зитивних і негативних зарядів по обидва боки мембрани, тобто виникає мемб­ранна різниця потенціалів.

Різницю потенціалів, яка виникає на мембрані за рахунок дифузії калію на­зовні, можна розрахувати за формулою Нернста:

де Е_к- калієвий рівноважний потенціал, К - газова постійна (8,314 Дж/град.моль), Р - число Фарадея (96500 кулонів/г.екв.), Т - абсолютна температура, п - валент­ність.

Мембранна різниця потенціалів, яка генерується калієм, може модифікува­тись за рахунок дифузії через мембрану натрію і хлору. Проникнення натрію У клітини призводить до деякого зменшення мембранного потенціалу, або депо­ляризації мембрани. Дифузія хлору у клітини, навпаки, забезпечує деяке збіль­шення мембранної різниці потенціалів.

Підсумкову величину мембранного потенціалу, що генерується за рахунок дифузії К, Na, Сl, можна розрахувати за формулою Гольдмана:

де Р - коефіцієнти проникності мембрани для кожного з іонів.

Про провідну роль калію у генерації мембранного потенціалу спокою свід­чить обернена його залежність від [К⁺]₃: чим більша [К⁺]₃ тим менший мемб­ранний потенціал.

Отже, основна частина мембранного потенціалу спокою, яка називається концентраційним потенціалом, формується за рахунок дифузії іонів (переважно калію) через мембрану. Ця частина опосередковано залежить від метаболізму, оскільки енергія АТФ витрачається безпосередньо на створення градієнтів концентрації іонів. Відомо, що на кожний іон калію, який транспортується в клітину, з неї виводяться 2-3 іони натрію. За рахунок цього у клітині створюється дефіцит позитивних і надлишок негативних зарядів, тобто Генерується прямо помпою деяка різниця потенціалів. У цьому випадку помпа характеризується електрогенним ефектом.

Отже, реальний мембранний потенціал складається з концентраційного потенціалу і електрогенного ефекту натрій-калієвої помпи. Внесок електрогенного ефекту помпи у мембранний потенціал не перевищує -15 мВ. Електрогенний ефект помпи можна швидко ліквідувати строфантином, охолодженням або чин­никами, що ведуть до дефіциту АТФ. У цих випадках розвивається швидка де­поляризація мембрани.