Мембранный электрогенез

Различная концентрация ионов по обе стороны плазмолеммы всех клеток приводит к появлению трансмембранной разности электрического потенциала — Dm — мембранного потенциала (МП, или V_m).

Мембранный потенциал

· МП покоя — 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.

 Измерение МП. 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 V_m. Измерения МП показали, что некоторые клетки могут быть электрически возбудимыми, 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.

 Величина МП существенно 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).

 Равновесный потенциал. Из уравнения Нернста для проницаемого через мембрану иона Х значение потенциала Нернста (E_x) выражают следующим образом:

Уравнение 3-13

где z_Х — 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; HCO_2– — –19 мВ; непроницаемые анионы — –10 мВ. Таким образом, E_x может принимать как положительные, так и отрицательные значения.

Концентрационный градиент для ионов K⁺ облегчает его движение наружу через калиевые каналы, но электрический градиент для K⁺ (E_K+)направлен в противоположном направлении (внутрь клетки). Создаваемая разность потенциалов (DE_K+) тормозит выход K⁺ из клетки по концентрационному градиенту и при определённом значении DE_K+ наступает равновесие между выходом K⁺ по концентрационному градиенту и входом этих ионов по электрическому градиенту. Значение МП, при котором возникает это равновесие, — равновесный потенциал (E_K+), т.е. потенциал Нернста. Если подставить в уравнение Нернста константы, то при температуре тела (T=310K) E_K+ равен:

Уравнение 3-14

E_K+ = –61 мВ·ln([K⁺_вн]/[K⁺_сн])

так как [K⁺_вн]/[K⁺_н] = 35, то

E_K+ = –94 мВ

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.

 Природа МП определяется 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 Ходжкин и Бернард Катц рассчитали соотношение проводимостей (P) для формирования МП покоя в опытах на гигантском аксоне кальмара:

Уравнение 3-17

P_K : P_Na : P_Cl = 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»).

 Трансмембранный ионный ток. Сила тока (I), текущего через мембрану, зависит от концентрации ионов по обе стороны мембраны, МП и проницаемости мембраны для каждого иона.

Уравнение 3-15

Это уравнение Голдмена–Ходжкина–Катца для некоторого иона X дополнительно учитывает движение молекул в растворе (закон Фика, 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:

Уравнение 3-16

I_{суммарный} = I_K+ + I_Na+ + I_Cl– + I_X+ + I_X1 + ... +I_Xn

Потенциал действия (ПД) рассмотрен в главе 5.