V. Мембранный потенциал покоя

Мембранный потенциал покоя является результатом разделения зарядов относительно клеточной мембраны, в котором принимают участие ионы. При этом положительные заряды концентрируются на наружной поверхности мембраны, а отрицательные заряды - на внутренней поверхности (рис. 14А). Мембранно-ионную теорию происхождения мембранного потенциала покоя в начале прошлого века (1902 год) создал Юлиус Бернштейн, ученик Дюбуа-Реймона. Разделение зарядов сохраняется благодаря тому, что билипидный слой мембраны препятствует диффузии ионов. Разделение зарядов приводит к возникновению разности электрических потенциалов на мембране. Мембранный потенциал покоя ( ) можно определить как = – ,

Рис 14. Мембранный потенциал покоя. Регистрация мембранного потенциала

(А) Мембранный потенциал покоя представляет собой перераспределение зарядов относительно клеточной мембраны, причем на наружной поверхности мембраны концентрируются положительно заряженные, а на внутренней – отрицательно заряженные ионы..

(Б) Регистрация мембранного потенциала покоя с использованием стеклянных микроэлектродов. 1- оба электрода находятся во внеклеточном растворе. 2- один электрод вкалывается в клетку. Внизу показано, что введение микроэлектрода в клетку приводит к смещению регистрируемого потенциала в сторону отрицательных значений. Мембранный потенциал покоя равен -60 мВ.

где - потенциал внутри клетки, - снаружи. Поскольку потенциал снаружи клетки можно принять за ноль, то мембранный потенциал покоя равен . Поэтому мембранный потенциал покоя измеряется в отрицательных значениях, указывающих на то, что внутренняя поверхности мембраны заряжена отрицательно по сравнению с наружной.

1.Регистрация мембранного потенциала

В настоящее время наиболее часто для регистрации мембранного потенциала покоя используют стеклянные микроэлектроды. Первое их применение Лингом и Джерардом в 1949 году было не менее важным событием, чем введение пэтч-кламп метода три десятилетия спустя. Этот метод, кроме точного измерения мембранного потенциала покоя клетки, обеспечил регистрацию потенциалов действия, а также синаптических сигналов в мышечных волокнах и нейронах.

Метод внутриклеточной микроэлектродной регистрации проиллюстрирован на рис.14 Б. Острый стеклянный микроэлектрод (микропипетка), диаметр кончика которого не превышает 0.5 мкм, заполненный концентрированным солевым раствором (например, KCI), подводится к клетке, второй электрод помещается во внеклеточную жидкость (рис.14 Б1). Оба электрода присоединяются к усилителю и осциллографу для регистрации потенциала. В этом случае осциллограф регистрирует отсутствие какого-либо потенциала, поскольку оба электрода находятся снаружи клетки. В момент прокалывания микроэлектродом клеточной мембраны, приводящего к проникновению его в клеточную цитоплазму, осциллограф регистрирует появление отрицательного потенциала, соответствующего мембранному потенциалу покоя (рис. 14 Б 2). При удачном проникновении в клетку мембрана обхватывает внешнюю поверхность пипетки, благодаря чему цитоплазма остается изолированной от внеклеточной жидкости. Мембранный потенциал покоя широко колеблется в различных клетках (от -5 до -100 мВ). Наибольшие значения мембранного потенциала покоя зарегистрированы в возбудимых клетках: нервных, мышечных и секреторных, в которых его величина составляет от -60 до -90 мВ.

Мембранный потенциал может быть искусственно изменен при пропускании электрического тока через мембрану. Для иллюстрации возьмем вторую пару аналогичных электродов, подсоединенных к источнику тока, один из которых введем в клетку (рис. 15). При включении источника тока на короткое время через мембрану клетки будет течь электрический ток, несущий определенные заряды. Если ток имеет выходящее направление (внутриклеточный токовый электрод положителен по отношению к внеклеточному), то внутренняя поверхность мембраны становится более позитивной, а наружная - более негативной (рис. 15А). Это приведет к уменьшению зарядов на мембране и снижению мембранного потенциала. Уменьшение мембранного потенциала носит название деполяризации. Кратковременная деполяризация, возникающая при слабых толчках тока, называется электротоническим потенциалом, величина которого зависит от силы тока. В отличие от толчков тока, которые его вызывают, электротонический потенциал имеет медленное нарастание и медленный спад, что связано наличием в мембране сопротивления и емкости (RC цепочки). Изменение направления пропускаемого тока (внутриклеточный электрод отрицателен по сравнению с внеклеточным) ведет к увеличению отрицательного заряда на внутренней поверхности мембраны, и мембранный потенциал увеличивается (рис. 15 Б). Это увеличение абсолютного значения мембранного потенциала обозначается как гиперполяризация. Величина гиперполяризации также зависит от силы пропускаемого тока.

В вышеприведенных экспериментах сдвиг мембранного потенциала происходит из-за перераспределения зарядов на мембране при пропускании электрического тока. В естественных условиях очень часто деполяризация или гиперполяризация мембраны возбудимых клеток возникает при открытии потенциал-активируемых или лиганд-активируемых ионных каналов. Так, открытие натриевых или кальциевых каналов и поступление положительно

Рис 15. Изменения мембранного потенциала при пропускании электрического тока

(А) Один внутриклеточный микроэлектрод введен в клетку и регистрирует мембранный потенциал покоя, как показано на рис.14Б. Другой внутриклеточный микроэлектрод также введен в клетку и служит для пропускания слабых кратковременных толчков тока от генератора. Если пропускаемый ток имеет выходящее направление, то за счет перераспределения зарядов на мембране мембранный потенциал клетки уменьшается (деполяризация). Величина деполяризации зависит от силы тока.

(Б) Аналогичная схема, но пропускаемый ток имеет входящее направление. В этом случае мембранный потенциал увеличивается (гиперполяризация).

заряженных ионов в клетку будет приводить к деполяризации. Открытие калиевых каналов и выход положительно заряженных ионов калия из клетки вызовет гиперполяризацию. Открытие хлорных каналов нервных клеток обычно сопровождается поступлением отрицательно заряженных ионов хлора в цитоплазму и вызывает гиперполяризацию мембраны.