Мембранный потенциал покоя

У всех живых клеток в покое плазматическая мембрана электрически поляризована, т.е. имеет разный электрический потенциал наружной и внутренней поверхностей. Это легко доказывается введением микроэлектрода, соединенного с усилителем и регистратором (осциллографом) внутрь клетки. Как только микроэлектрод проникает внутрь клетки, на экране осциллографа наблюдается скачок потенциала – от 0 до -70-80 мВ (по отношению к наружному электроду, расположенному в окружающей клетку жидкости). Эту величину называют мембранным потенциалом покоя или просто потенциалом покоя (ПП).  Происхождение потенциала покоя.  Впервые В.Ю.Чаговец (1896 г) высказал предположение об ионном механизме биопотенциалов в живых клетках и применил для их объяснения теорию электролитической диссоциации Аррениуса. Ю.Бернштейн (1902 г) развил мембранно-ионную теорию происхождения биопотенциалов, которую затем модифицировали и экспериментально доказали Ходжкин, Хаксли и Катц (1949-1952 гг). В настоящее время эта теория пользуется всеобщим признанием. Согласно ей в происхождении потенциала покоя играют принципиальную роль 2 фактора:  1) избирательная проницаемость цитоплазматической мембраны;  2) ионная асимметрия между внутри- и внеклеточным пространствами.  В покое мембрана проницаема для ионов К⁺ и Cl^-, мало проницаема для ионов Na⁺ и непроницаема для других анионов.  Внутри клетки ионов К⁺ содержится в 30-50 раз больше, чем снаружи; ионов Na⁺ снаружи больше примерно в 10 раз, чем внутри; ионов Cl^- снаружи также больше примерно в 15 раз, чем внутри. Создаёт и поддерживает трансмембранный градиент концентраций Na⁺ и К⁺ особое молекулярное устройство, называемое натрий-калиевым насосом. Снаружи и внутри мембраны находится водная среда.  Таким образом, в формировании ПП участвуют следующие процессы:  1) активное движение ионов (с затратой энергии) против концентрационных градиентов с помощью натрий-калиевого насоса;  2) пассивная (без затраты энергии) диффузия ионов К⁺ по концентрационному (химическому) градиенту наружу клетки;  3) пассивная диффузия ионов по электрическому градиенту.  Все эти процессы тесно связаны между собой, а их разделение имеет определённую условность.  Ионы К⁺ вследствие их большой концентрации внутри клетки и большой проницаемости мембраны для них будут диффундировать под влиянием диффузионного давления из клетки на наружную поверхность мембраны. Ионы Cl^- и Na⁺ диффундируют внутрь клетки. Проницаемость мембраны для К⁺, Na⁺ и Cl^- в покое соответственно составляет 1:0,04:0,45. Внутри клетки, кроме ионов Cl^-, находятся анионы различных органических кислот (глутаминовой, аспарагиновой и т.д.). Благодаря силам взаимного притяжения заряды удерживаются на наружной и внутренней поверхностях мембраны, поляризуя её, т.е. образуя два полюса: снаружи – положительный, внутри – отрицательный.  Диффузия ионов идёт постоянно, но она ограничивается силами электростатического взаимодействия. По мере выхода ионови калия из клетки сила диффузионного давления становится равной силе электростатического притяжения. В результате этого возникает состояние, когда число ионов калия, выходящих из клетки по химическому градиенту, равно числу ионов калия, входящих в клетку по электрическому градиенту. Трансмембранный потенциал, который устанавливается при этом, называетсядиффузионнным равновесным потенциалом для данного иона и обозначается буквой «Е», Равновесный потенциал для любого иона может быть рассчитан по формуле Нернста: 

где Е - потенциал;  R - универсальная газовая постоянная, т.е кинетическая энергия 1 моля ионов при абсолютной температуре, равной 1о по Кельвину;  Т - абсолютная температура; n - валентность иона;  F - число Фарадея (заряд 1 моля одновалентных ионов);  C_нар. - концентрация ионов снаружи мембраны;  С_вн. - концентрация ионов внутри клетки.  Установлено, что равновесие для ионов К⁺ в мышечном волокне теплокровных животных устанавливается при соотношении:  ,при этом Е _К⁺ = -95 мВ;  для ионов Cl^- при:  , при этом Е _Cl^- = -90 мВ.  Измерения в опыте потенциала покоя поперечно-полосатого мышечного волокна показало, что он равен -90 мВ, т.е. близок к Е _К⁺.  В аксоне кальмара он равен -70 мВ (а по формуле Нернста Е _К⁺ = -75 мВ, т.е. тоже близок к измеренному в опыте).  Если рассчитать по формуле Нернста потенциал в аксоне кальмара для Cl^-, то он будет равен -90 мВ, т.е. он далёк от фактического потенциала, измеренного в опыте. Проницаемость мембраны для Cl^- в нервных волокнах мала, и поэтому Cl^- не играет существенной роли в генезе потенциала покоя. В скелетных мышечных волокнах проницаемость для Cl^- сравнима с калиевой, и поэтому диффузия Cl^- внутрь клетки увеличивает потенциал покоя. Аналогичная картина наблюдается для большинства клеток. Поэтому можно сделать заключение, что потенциал покоя обязан своим происхождением ионам К⁺, т.е. это калиевый равновесный потенциал.  Незначительное расхождение между величинами потенциала покоя, измеренными в опыте и рассчитанными по формуле Нернста, состоит в том, что в покое мембрана в небольшой степени проницаема для ионов Na⁺, и эти ионы, входящие внутрь клетки, уменьшают фактическое значение потенциала покоя. Поскольку мембрана тонкая потенциал покоя создаёт сильное электрическое поле напряженностью порядка 10 кВ/см.  Экспериментальное доказательство правильности такой точки зрения привели Ходжкин и Хаксли: они заменили аксоплазму в гигантском аксоне кальмара (диаметр 0,5-1,0 мм) на раствор КСl аналогичной концентрации, и в аксоне регистрировался потенциал покоя примерно такой же величины, как и в нативном нервном волокне.  Функцией мембранного потенциала покоя является действие электрического поля на макромолекулы мембраны, при этом заряженные группы этих молекул получают определенную пространственную ориентацию, и таким образом, например, обеспечивается закрытое состояние активационных ворот натриевых каналов и открытое состояние их инактивационных ворот. Этим самым обеспечивается состояние покоя и готовность к возбуждению. При дальнейшем местном возбуждении будет использоваться эта энергия, накопленная в потенциале покоя.