1.2. Природа потенциала покоя (пп)

Потенциалом покоя (ПП) называют трансмембранную разность потенциалов, существующую между цитоплазмой и окружающим клетку наружным раствором в состоянии покоя. При этом внутренний потенциал отрицателен по отношению к наружному, условно принимаемому за нуль.

Для измерения ПП, а также другой электрической активности возбудимой клетки применяют технику внутриклеточных микроэлектродов. Микроэлектрод представляет собой тонкий капилляр, вытянутый из стеклянной трубки, диаметр кончика которого составляет 0,5 мкм. В микротрубочку погружают хлорированную серебряную проволоку, служащую электродом и заполняют солевым раствором (обычно 3М KCI). Микроэлектрод соединяют с электроизмерительным прибором - осциллографом, снабженным усилителем постоянного тока (Рис 1).

Рис.1. Регистрация мембранного потенциала покоя возбудимой клетки и схема опыта его регистрации.

1 — клетка; 2 — микроэлектрод; 3 — регистратор

В момент прокалывания покоящейся мембраны клетки микроэлектродом луч осциллографа скачком отклоняется вниз до уровня ПП.

Величина ПП у разных клеток варьирует от -50 мВ до -90 мВ. Ниже приведены значения ПП для некоторых возбудимых образований.

Гигантский аксон кальмара - -70 мВ

Гигантский аксон каракатицы - -60 мВ

Мышечное волокно лягушки - -88 мВ

Моторный нейрон кошки - -70 мВ

Впервые В. .Ю. Чаговец в 1896 году высказал гипотезу об ионном механизме электрических потенциалов в живых клетках и сделал попытку объяснить их с позиции теории электролитической диссоциации С. Аррениуса. В 1902 году Ю. Бернштейном была разработана мембранно–ионная теория, согласно которой потенциал покоя нервных и мышечных волокон определяется избирательной проницаемостью мембраны для ионов калия и их диффузией по концентрационному градиенту.

В 1949 – 1952 гг. мембранно-ионную теорию модифицировали и экспериментально обосновали А. Ходжкин, А. Хаксли и др. Исследователям удалось найти замечательный объект - гигантский аксон кальмара, диаметром 1 мм, иннервирующий мышцы мантии. В такой аксон можно было легко вводить микроэлектрод, заменять внутреннее содержимое волокна искусственными растворами.

Опыты на гигантских аксонах кальмара показали, что концентрационный градиент K+ , действительно, является основным фактором, определяющим величину потенциала покоя нервного волокна. Когда аксоплазму заменяли раствором K+, близкой по концентрации внутриклеточной, то на мембране устанавливалась разность потенциалов, близкая к значению нормального потенциала покоя (-50 - -80 мВ), и волокно проводило импульсы. При уменьшении внутриклеточной концентрации K+ потенциал покоя по абсолютной величине уменьшался, при увеличении концентрации K+ – увеличивался.

На основании проведенных опытов была сформулирована современная мембранная теория, основные положения которой следующие:

- Мембрана клетки любого возбудимого образования в покое поляризована. При этом ее внутренняя поверхность заряжена отрицательно, а наружная - положительно;

- Наличие электрических потенциалов в животных клетках обусловлено неравенством концентраций ионов Na+, K+, CI-, Ca++ внутри и вне клетки, а также их различной проницаемостью через мембрану.

- В состоянии покоя внутри нервных и мышечных клеток концентрация K+ в 30-40 раз выше, чем в наружном растворе. Концентрация Na+ вне клетки в 10 –12 раз больше, чем внутри. Вне клетки в больше также и ионов CI-.

- В покое мембрана нервных клеток наиболее проницаема для ионов K+, менее для CI- и очень мало проницаема для ионов Na+ (в 100 раз меньше, чем для K+).

- Для многих анионов органических кислот, присутствующих в цитоплазме, мембрана в покое не проницаема.

- Благодаря преимущественной проницаемости мембраны для ионов К+ в состоянии покоя, происходит их перемещение по концентрационному градиенту из клетки наружу.

- В силу возникающего мембранного потенциала ионы K+ по электрическому градиенту частично возвращаются обратно в клетку. Когда число выходящих из клетки ионов K+ становится равным числу входящих в клетку, то на мембране устанавливается так называемый равновесный калиевый потенциал, обозначаемый Ек *

(при температуре = 20⁰С)

Мембранный потенциал покоя, определяемый для гигантского аксона кальмара (-70 мВ) менее отрицателен, чем рассчитанный по формуле Нернста калиевый равновесный потенциал (Ек = -90 мВ). Это связано с диффузией ионов Na+ и CI-через поверхностную мембрану по концентрационному градиенту. Перемещение ионов в клетку и из клетки осуществляются преимущественно через неспецифические каналы ионной утечки, которые в состоянии покоя больше проницаемы для ионов К

*Равновесный потенциал для любого иона можно рассчитать по формуле В. Нернста: Концентрация положительно заряженных ионов, находящихся снаружи, в формуле Нернста располагается в числителе; ионов, находящихся внутри клетки в – знаменателе. Для отрицательно заряженных ионов расположение противоположное:

где Е ion – потенциал, создаваемый данным ионом;

R - газовая постоянная (8,31 Дж/моль K);

T – абсолютная температура (273 +37 C);

Z – валентность иона;

F – постоянная Фарадея (9,65 10 в 4 степени Кл/моль);

[ion]o – концентрация иона во внешней среде клетки (outside);

[ion]i – концентрация иона внутри клетки (insde).

Равновесный натриевый потенциал (ЕNа+) гигантского аксона кальмара при соотношении Nai/Nao = 69/425 мМ составляет +46 мВ. Поэтому диффузия положительно заряженных ионов натрия внутрь клетки уменьшает абсолютную величину внутреннего отрицательного потенциала, создаваемого диффузией K+.

Влияние CI- на величину ПП противоположно влиянию Na+. В нервных волокнах проницаемость ионов C1- покоящейся мембраны относительно мала, и они не играют существенной роли в генезе ПП. В скелетных мышечных волокнах проницаемость для ионов CI- сопоставима с калиевой проницаемостью, и поэтому диффузия CI- увеличивает абсолютную величину потенциала покоя. Рассчитанный по формуле Нернста, хлорный равновесный потенциал мышечного волокна лягушки при соотношении концентрации ионов Cli/Clo равном 1/64 мМ составляет –105 мВ (Таблица 1).

Таблица № 1:

Клетки	Отношенш ренней (i)	концентраций внут-и внешней (о) сред, мМ		Равновесный потенциал для разных ионов, мВ			Измеренные по­тенциалы, мВ
				К+	Na+	Сl-		покоя	на мак­симуме спайка
Гигантский аксон кара-				-88	+ 57	-42		-60	+50
катицы
Аксон кальмара				-90	+46	-29		—60	+35
Мышечное волокно ля­гушки				-98	+49	— 105		—88	+34
Моторный нейрон кошки				—90	+60	-70		—70	+30

В связи с имеющей место хлорной и натриевой проницаемостью Гольдманом-Ходжкиным-Катцом предложено уравнение для расчета мембранного потенциала покоя (Ем):

,

где величины РK; PNа; PC1 - проницаемость мембраны для соответствующих ионов.

Было рассчитано, что при Eм = -50 мв в изолированном гигантском аксоне кальмара, имеется следующее соотношение между ионными проницаемостями мембраны в покое:

РK : РNа : РC1 = 1: О,04: 0,45.

Таким образом, в целом потенциал покоя - это производное равновесных потенциалов всех ионов, находящихся внутри и вне клетки, величина которой определяется двумя основными факторами:

1) соотношением концентраций катионов и анионов, проникающих через мембрану в состоянии покоя;

2) соотношением проницаемостей мембраны для этих ионов.

1. 2. 1. Роль ионных насосов в формировании потенциала покоя.

Несмотря на малые потоки ионов Na+ и K+ через поверхностную мембрану, их концентрации, в результате постоянной диффузии, должны были бы в конечном итоге выровняться. Однако этого не происходит, поскольку на мембране работают особые механизмы активного транспорта (ионные насосы), обеспечивающие выведение из цитоплазмы Na+ и введение в цитоплазму K+ против их концентрационных градиентов. Поддержание трансмембранного градиента концентраций Na+ и K+ является важным условием для формирования ПП

Источником энергии для работы насоса является АТФ. Расщепление АТФ производится макромолекулами белка - ферментом аденозинтрифосфатазой (Na, K – АТФ – азой), локализованной в поверхностной мембране клетки.

Натрий – калиевый насос вносит вклад в величину ПП, т.е. насос электрогенен. Связано это с тем, что на каждые три иона Na+, выводимые насосом из клетки, внутрь клетки нагнетается только два иона К+, т.е. натрий – калиевый насос создает разность потенциалов, суммирующуюся с потенциалом покоя.

Вклад натриевого насоса в величину потенциала покоя у различных клеток не одинаков. В нервных волокнах кальмара он незначителен, а в гигантских нейронах моллюсков, гладких мышцах составляет около 25% от полной величины потенциала покоя.

Нарушение работы насоса при патологии, а также в эксперименте, при действии некоторых химических соединений, например, сердечного гликозида - уабаина, а также ингибиторов дыхательных ферментов – цианидов, сопровождается потерей клеткой ионов калия, и обогащением ее ионами натрия.