§3. Роль проницаемости клеточной мембраны, ее поверхностных зарядов, различных ионов и ионных насосов в формировании потенциала покоя (пп).

У всех исследованных физиологами клеток животных и растений поверхностная мембрана в покое электрически поляризована. В этом можно убедиться, введя внутрь клетки микроэлектрод, соединенный с электрорегистрирующей установкой. Как только кончик микроэлектрода попадает внутрь клетки, он мгновенно (скачком) приобретает некоторый постоянный электроотрицательный потенциал по отношению к электроду, расположенному в окружающей клетку жидкости. Величина разности этих потенциалов у нервных клеток и волокон, например гигантских нервных волокон кальмара, составляет около - 70 мВ. Эту величину называют мембранным потенциалом покоя (МПП). Во всех точках аксоплазмы этот потенциал практически одинаков. Если кончик микроэлектрода выводят из клетки возвратным движением или прокалывая клетку насквозь, то разность потенциалов между электродами скачкообразно исчезает. Если кончик микроэлектрода недостаточно тонок, то он входит и выходит из клетки постепенно, давит и тянет за собой ткань, повреждая клетку, это "смазывает" броски потенциала и снижает величину МПП. Снижение мембранного потенциала называют уменьшением внутриклеточной негативности, смещением внутриклеточного потенциала в позитивную сторону.

Потенциал покоя (ПП) – это разность между электрическими потенциалами внутренней и наружной среды клетки. Его величина обычно варьирует в пределах 30-90 мВ (в волокнах скелетной мышцы: 60-90 мВ, в нервных клетках: 50-80 мВ, в гладких мышцах: 30-70 мВ, в сердечной мышце: 80-90 мВ). При регистрации ПП луч осциллографа во время прокола мембраны клетки микроэлектродом скачком отклоняется и показывает от­рицательный заряд внутри клетки (см. рис. 3, а).

ПП играет исключительно важную роль в жизнедеятельности самой клетки и организма в целом. В частности, он составляет основу возбуждения и переработки информации нервной клет­кой, обеспечивает регуляцию деятельности внутренних органов и опорно-двигательного аппарата посредством запуска процессов возбуждения и сокращения в мышце. Нарушение процессов воз­буждения в кардиомиоцитах ведет к остановке сердца.

Согласно мембранно-ионной теории (Ю.Бернштейн, А.Ходжкин, А. Хаксли, Б.Катц), непосредственной причиной формирова­ния ПП является неодинаковая концентрация анионов и катионов внутри и вне клетки. В нервных и мышечных клетках концентрация К⁺ внутри клетки в 30-40 раз больше, чем вне клет­ки; концентрация Na⁺ вне клетки в 10-12 раз больше, нежели в клетке. Ионов СГ вне клетки в 15-20 раз больше, чем внутри клетки. В клетке имеется небольшое количество ионов Mg²⁺. Кальций в свободном состоянии находится в основном вне клетки, он со­держится также в эндоплазматическом ретикулуме, в гиалоплазме его очень мало, что обусловливается отчасти активным транс­портом Са²⁺ наружу через клеточную мембрану, а отчасти погло­щением его эндоплазматическим ретикулумом (резервуар для Са²⁺) и другими органеллами, например митохондриями, связыванием Са²⁺-цитратом, глютаматом.

В клетке находятся также крупномолекулярные анионы, глав­ным образом это отрицательно заряженные белковые молекулы, например глютамат, аспартат, а также органические фосфаты. Различные ионы распределены неравномерно по обе стороны кле­точной мембраны, во-первых, вследствие неодинаковой проница­емости клеточной мембраны для различных ионов, во-вторых, в результате работы ионных насосов, транспортирующих ионы в клетку и из клетки вопреки концентрационному и электричес­кому градиентам.

Поляризация мембраны при открытых калиевых каналах, т. е. при высокой калиевой проницаемости мембраны (Р_к) и при наличии большого трансмембранного градиента концентраций К⁺ объясняется прежде всего тем, что имеется некоторая, хотя и очень небольшая, утечка внутриклеточного К⁺ в среду. Эта утечка и создает разность электрических потенциалов между средой и аксоплазмой. Заметим, что вход Na⁺ в клетку или выход из нее органических анионов, что могло бы компенсировать нарушения электронейтральности от потери К⁺, исключены свойствами покоящейся мембраны. В этой ситуации на мембране создается двойной электрический слой (снаружи катионы, главным образом Na⁺, внутри - анионы, главным образом органических кислот), препятствующий дальнейшему выходу К⁺.

Перемещение К⁺ из клетки наружу при отсутствии МП осуществляется по концентрационному градиенту этого иона, совершающему «осмотическую» работу. В силу возникающего мембранного потенциала ионы К⁺ возвращаются в клетку, т. е. совершается «электрическая работа»:

A_эл.= QE=nFE,

где Q - количество электричества, n - валентность, F - число Фарадея, заряд моля одновалентных ионов (96500 Кл/гр • экв), Е - потенциал.

По мере выхода ионов К⁺ растет А_эл. и несколько падает А_осм, в итоге достигается Е на мембране, при котором А_эл = А_осм.. Для иона К⁺, т. е. калиевый равновесный потенциал в упрощенной форме:

E=58 lg [K]н/ [K]в (формула Нернста)

Разность между текущим значением МП и Е_к называют электрохимическим градиентом для К⁺. Электрохимический градиент – причина пассивного движения К⁺ (и любого другого иона) через мембрану в естественных условиях.

МПП гигантского аксона кальмара (- 70 мВ) близок к его Е_к (- 75 мВ), но не равен ему, ибо МПП здесь формирует утечка и других ионов: Na⁺, Cl^-. При этом поступление С1^- в аксон, (Еcl > - 70 мВ) повышает, a Na⁺ понижает МПП (E_Na=+55_MB).

Итоговая величина Е_м, создаваемого утечкой многих ионов, может быть достаточно точно рассчитана по формуле Гольдмана:

где Р - проницаемость мембраны для соответствующих ионов. Ее часто выражают в относительных величинах, принимая P_K+ за 1. Для мембраны аксона кальмара в покое отношение P_K : P_Na : Р_cl= 1 : 0,04 : 0,45

Рассмотренный ионный механизм формирует так называемый концентрационный потенциал (Е_конц.) – основную часть реального МПП. В перфузируемом чистым солевым раствором гигантском аксоне кальмара это, по существу, единственный механизм формирования МПП. Но в естественных условиях в образовании МПП участвует еще один, добавочный механизм. Это так называемый прямой электрогенный эффект натрий-калиевого насоса. Напомним, что этот ионный насос работает, потребляя энергию АТФ, и его основным компонентом является мембранная К - Na-АТФаза. В норме АТФ к насосу поступает из аксональных митохондрий. Для его работы, кроме того, требуется наличие в среде ионов К⁺, а внутри волокна - ионов Na⁺. Дело в том, что макромолекула насоса осуществляет свое рабочее движение - конформацию лишь в случае присоединения к ней снаружи ионов К⁺, а изнутри клетки - ионов Na⁺ . Насос не работает в бескалиевых средах и при потере внутриклеточного Na⁺. Прямой электрогенный эффект насоса (который следует отличать от косвенного, т. е. от участия насоса в создании концентрационных градиентов) состоит в дополнительной поляризации мембраны, получающейся при неравенстве числа (q) ионов Na⁺ и К⁺, переносимых в каждом цикле работы насоса. Только если эти числа равны, насос работает электронейтрально.У гигантского аксона кальмара R_м относительно мало и поэтому Е_нас тоже невелико (1 мВ). В некоторых нервных клетках моллюсков, где R_м велико (мегаомы) - Е_нлс достигает десятка мВ.

Таким образом, реальный МПП складывается из Е_конц и E_нас.

В миелинизированных нервных волокнах у позвоночных потенциал покоя мембраны перехвата Ранвье составляет около 70 мВ. Его концентрационный компонент имеет в основном калиевую природу, как и в аксоне кальмара. Ионы С1- в его формировании принимают незначительное участие. Электрогенный эффект ионного насоса в нормальной среде здесь близок к нулю. И только при повышенной концентрации К⁺ снаружи [К]_н этот эффект усиливается настолько, что может достигнуть 3 - 4 мВ. Последнее достигается за счет резкого усиления насосного тока.

Мембранный потенциал покоя в самой мембране проявляется как электрическое поле значительной напряженности (105В/см). Это поле воздействует на макромолекулы мембраны и придает их заряженным группам определенную пространственную ориентацию. Особенно важно то, что электрическое поле МПП обеспечивает закрытое состояние так называемых активационных ворот натриевых каналов и открытое состояние их инактивационных ворот. Этим обеспечивается состояние покоя и готовности к возбуждению. Даже относительно небольшой сброс мембранного потенциала (частичная деполяризация) открывает активационные ворота этих каналов и выводит клетку из состояния покоя, дает начало возбуждению. При возбуждении, конечно, используется электрическая энергия, накопленная в МПП.

В заключение остановимся на понятии собственного электрического потенциала мембраны. Под последним подразумевают потенциал поверхностей мембраны относительно ее внутренних частей (30м В). Этот потенциал имеет отрицательный знак – на поверхностях и положительный внутри мембраны.

Он определяется наличием выступающих наружу отрицательно заряженных групп (типа СОО^-) у многих молекул, формирующих мембрану. Величина этого потенциала определяет способность поверхностей мембраны связывать катионы, в частности. Са²⁺, что существенно для работы воротных и других ее механизмов.

Собственный потенциал мембраны, поскольку он одинаков у обеих сторон мембраны, не входит в МПП.

УчебныЙ вопрос № 3