Мембранный электрогенез
Различная концентрация ионов по обе стороны плазмолеммы всех клеток приводит к появлению трансмембранной разности электрического потенциала — Dm — мембранного потенциала (МП, или Vm).
Мембранныйпотенциал
· МПпокоя— разность электрических потенциалов между внутренней и наружной поверхностью мембраны в состоянии покоя, т.е. при отсутствии электрического или химического раздражителя (сигнала). В состоянии покоя поляризация внутренней поверхности клеточной мембраны имеет отрицательную величину, поэтому значение МП покоя тоже отрицательно.
ИзмерениеМП. Возможно прямое (внутриклеточная регистрация при помощи микроэлектрода) и спектроскопическое (непрямое) измерение МП. Непрямое измерение МП осуществляют введением в клетку некоторых органических красителей и измерением их оптического сигнала (спектры флуоресценции или поглощения). Спектральные характеристики красителей предварительно откалиброваны как функция от Vm. Измерения МП показали, чтонекоторыеклеткимогутбытьэлектрическивозбудимыми, в таких возбудимых структурах в результате быстрого изменения МП вследствие резкого увеличения проводимости через ионные каналы формируются потенциалы действия (ПД). Примеры возбудимых клеток: нейроны, скелетные МВ, кардиомиоциты, ГМК, секреторные клетки поджелудочной железы.
ВеличинаМПсущественно зависит от типа клеток и их размеров. Так, МП покоя плазмолеммы нервных клеток и кардиомиоцитов варьирует от –60 мВ до –90 мВ, плазмолеммы скелетного МВ — –90 мВ, ГМК около –55 мВ, эритроцитов примерно –10 мВ. Изменения величины МП описывают специальные термины:гиперполяризация(увеличение величины МП),деполяризация(уменьшение величины МП),реполяризация(увеличение величины МП после деполяризации).
Равновесныйпотенциал. Из уравнения Нернста для проницаемого через мембрану иона Х значение потенциала Нернста (Ex) выражают следующим образом:
Уравнение3-13
где zХ— валентность X, T — абсолютная температура, R — газовая постоянная, F — константа Фарадея, [X] — концентрация иона X с наружной (сн) и внутренней (вн) поверхности мембраны.
Для ионов, принимающих участие в формировании МП скелетного МВ, значения потенциала Нернста таковы: Na+— +67 мВ; K+— –95 мВ; Ca2+— +123 мВ; Cl–— –89 мВ; HCO2–— –19 мВ; непроницаемые анионы — –10 мВ. Таким образом, Exможет принимать как положительные, так и отрицательные значения.
Концентрационный градиент для ионов K+облегчает его движение наружу через калиевые каналы, но электрический градиент для K+(EK+)направлен в противоположном направлении (внутрь клетки). Создаваемая разность потенциалов (DEK+) тормозит выход K+из клетки по концентрационному градиенту и при определённом значении DEK+наступает равновесие между выходом K+по концентрационному градиенту и входом этих ионов по электрическому градиенту. Значение МП, при котором возникает это равновесие, — равновесный потенциал (EK+), т.е. потенциал Нернста. Если подставить в уравнение Нернста константы, то при температуре тела (T=310K) EK+равен:
Уравнение3-14
EK+ =–61мВ·ln([K+вн]/[K+сн])
так как [K+вн]/[K+н] = 35, то
EK+ =–94мВ
Поскольку мембрана покоящейся клетки проницаема и для других ионов (Na+, Cl–), МП покоя отличается от равновесного калиевого потенциала. Для более точного расчёта МП применяют формулы, учитывающие вклад и других ионов.
ПриродаМПопределяется трансмембранными ионными градиентами (формируются непосредственно за счёт состояния ионных каналов, активности переносчиков, а опосредованно за счёт активности насосов, в первую очередь —Na+/K+–АТФазы) и проводимостью мембраны.
Проводимость мембраны для ионов (P) рассчитывают экспериментально. Так, в 1949 г. Алан Ходжкини БернардКатцрассчитали соотношение проводимостей (P) для формирования МП покоя в опытах на гигантском аксоне кальмара:
Уравнение3-17
PK :PNa :PCl =1:0,04:0,45
Позднее и на клетках млекопитающих было показано, что в состоянии покоя проницаемость клеточной мембраны для ионов K+в 20–100 раз выше, чем для ионов Na+. Поскольку концентрация K+внутри клетки значительно выше, чем снаружи, то K+по концентрационному градиенту через калиевые каналы выходит из клетки и создаёт избыток отрицательного заряда на внутренней поверхности клеточной мембраны (значения потенциала Нернста для K+см. выше в разделе «Равновесный потенциал»).
Трансмембранныйионныйток. Сила тока (I), текущего через мембрану, зависит от концентрации ионов по обе стороны мембраны, МП и проницаемости мембраны для каждого иона.
Уравнение3-15
Это уравнение Голдмена–Ходжкина–Катца для некоторого иона X дополнительно учитывает движение молекул в растворе (законФика, уравнение 2–1), движение заряженных частиц в электрическом поле (электрофорез) и зависимость силы тока от его напряжения (закон Ома). Если мембрана проницаема для K+, Na+, Cl–и других ионов, их суммарный ионный ток является суммой ионного тока каждого из ионов:
Уравнение3-16
Iсуммарный=IK++INa++ICl–+IX++IX1+...+IXn
Потенциалдействия(ПД) рассмотрен в главе 5.