Потенциал покоя

Термином «мембранный потенциал» (потенциал покоя) принято называть транс­мембранную разность потенциалов, существующую между цитоплазмой и окружающим клетку наружным раствором. Когда клетка (волокно) находится в состоянии физиоло­гического покоя, ее внутренний потенциал отрицателен по отношению к наружному, ус­ловно принимаемому за нуль. У различных клеток мембранный потенциал варьирует от —50 до —90 мВ.

Чтобы измерить потенциал покоя и проследить его изменения, вызываемые тем или иным воздействием на клетку, применяют технику внутриклеточных микроэлектродов (рис. 1).

Микроэлектрод представляет собой микропипетку, т. е. тонкий капилляр, вытянутый из стек­лянной трубочки. Диаметр его кончика около 0,5 мкм. Микропипетку заполняют солевым раствором (обычно 3 М КС1), погружают в него металлический электрод (хлорированную серебряную прово­лочку) и соединяют с электроизмерительным прибором — осциллографом, снабженным усилителем постоянного тока.

Микроэлектрод устанавливают над исследуемым объектом, например скелетной мышцей, а за­тем при помощи микроманипулятора — прибора, снабженного микрометрическими винтами, вводят внутрь клетки. Электрод обычных размеров погружают в нормальный солевой раствор, в котором находится исследуемая ткань.

Как только микроэлектрод прокалывает поверхностную мембрану клетки, луч осцил­лографа сразу же отклоняется от своего исходного (нулевого) положения, обнаруживая

Рис. 1. Измерение потенциала покоя мы­шечного волокна (А) с помощью внут­риклеточного микроэлектрода (схема).

М — микроэлектрод; И — индифферентный электрод. Луч на экране осциллографа (Б) показывает, что до прокола мембраны мик­роэлектродом разность потенциала между М и И была равна нулю. В момент прокола (показан стрелкой) обнаружена разность потенциалов, указывающая, что внутренняя сторона мембраны заряжена электроотри­цательно по отношению к ее наружной по­верхности.

тем самым существование разности потенциалов между поверхностью и содержимым клетки. Даль­нейшее продвижение микроэлектрода внутри про­топлазмы на положении луча осциллографа не сказывается. Это свидетельствует о том, что по­тенциал действительно локализуется на клеточной мембране.

При удачном введении микроэлектрода мем­брана плотно охватывает его кончик и клетка со­храняет способность функционировать в течение нескольких часов, не проявляя признаков повреж­дения.

Существует множество факторов, меняющих потенциал покоя клеток: приложение электричес­кого тока, изменение ионного состава среды, воз­действие некоторых токсинов, нарушение кисло­родного снабжения ткани и т. д. Во всех тех слу­чаях, когда внутренний потенциал уменьшается (становится менее отрицательным), говорят о де­поляризации мембраны; противоположный сдвиг потенциала (увеличение отрицательного заряда внутренней поверхности клеточной мембраны) на­зывают гиперполяризацией.

Природа потенциала покоя

Еще в 1896 г. В. Ю. Чаговец высказал гипо­тезу об ионном механизме электрических потен­циалов в живых клетках и сделал попытку приме­нить для их объяснения теорию электролитической диссоциации Аррениуса. В 1902 г. Ю. Бернштейном была развита мембранно-ионная теория, которую модифицировали и экспериментально обосновали Ходжкин, Хаксли и Катц (1949—1952). В настоящее время последняя теория пользуется всеобщим признанием. Согласно указанной тео­рии, наличие электрических потенциалов в живых клетках обусловлено неравенством концентрации ионов Na⁺ К⁺, Са²⁺ и С1^- внутри и вне клетки и различной проницаемостью для них поверхно­стной мембраны.

Из данных табл. 1 видно, что содержимое нервного волокна богато К⁺ и органиче­скими анионами (практически не проникающими через мембрану) и бедно Na⁺ и С1^-.

Концентрация К⁺ в цитоплазме нервных и мышечных клеток в 40—50 раз выше, чем в наружном растворе, и если бы мембрана в покое была проницаема только для этих ионов, то потенциал покоя соответствовал бы равновесному калиевому потенциалу (Ек), рассчитанному по формуле Нернста:

где R — газовая постоянная, F — число Фарадея, Т — абсолютная температура, К.о— концентрация свободных ионов калия в наружном растворе, Ki — их концентрация в цитоплазме.

Таблица 1

Содержание ионов K⁺, Na⁺, Cl^- , равновесные потенциалы, потенциалы покоя и действия некоторых клеток (по данным разных авторов)

Рис. 2. Возникновение разности потенциалов на искусственной мембране, разделяющей ра­створы K₂S0₄ разной концентрации (C₁ и С₂).

Мембрана избирательно проницаема для ионов К'⁺ (маленькие кружки) и не пропускает ионы SO₄^-(большие кружки). 1,2 — электроды, опущенные в раствор; 3 — электроизмерительный прибор.

Чтобы понять, каким образом возни­кает этот потенциал, рассмотрим следую­щий модельный опыт (рис. 2).

Представим сосуд, разделенный ис­кусственной полупроницаемой мембра­ной. Стенки пор этой мембраны заряжены электроотрицательно, поэтому они про­пускают только катионы и непроницаемы для анионов. В обе половины сосуда на­лит солевой раствор, содержащий ионы К⁺, однако их концентрация в правой части сосуда выше, чем в левой. Вслед­ствие этого концентрационного градиен­та ионы К⁺ начинают диффундировать из' правой половины сосуда в левую, принося туда свой положительный заряд. Это при­водит к тому, что непроникающие анионы начинают скапливаться у мембраны в правой половине сосуда. Своим отрица­тельным зарядом они электростатически будут удерживать К⁺ у поверхности мем­браны в левой половине сосуда. В резуль­тате мембрана поляризуется, и между. двумя ее поверхностями создается раз­ность потенциалов, соответствующая равновесному калиевому потенциалу

(Ек).

Предположение о том, что в состоя­нии покоя мембрана нервных и мышечных волокон избирательно проницаема для К⁺ и что именно их диффузия создает потенциал покоя, было высказано Бернштейном еще в 1902 г. и подтверждено Ходжкиным с сотр. в 1962 г. в опытах на изолированных гигантских аксонах кальмара. Из волокна диаметром около 1 мм осторожно выдавливали цитоплазму (аксоплазму) и спавшуюся оболочку заполняли искусственным солевым раствором. Когда концентрация К⁺ в растворе была близка к внутриклеточной, между внутренней и наружной сторонами мембраны устанав­ливалась разность потенциалов, близкая к значению нормального потенциала покоя (—50——80 мВ), и волокно проводило импульсы. При уменьшении внутриклеточной и повышении наружной концентрации К⁺ потенциал мембраны уменьшался или даже изменялся его знак (потенциал становился положительным, если в наружном растворе концентрация К⁺ была выше, чем во внутреннем).

Такие опыты показали, что концентрированный градиент К⁺ действительно является основным фактором, определяющим величину потенциала покоя нервного волокна. Од­нако покоящаяся мембрана проницаема не только для К⁺ но (правда, в значительно меньшей степени) и для Na⁺. Диффузия этих положительно заряженных ионов внутрь клетки уменьшает абсолютную величину внутреннего отрицательного потенциала клет­ки, создаваемого диффузией К⁺. Поэтому потенциал покоя волокон (—50——70 мВ) менее отрицателен, чем рассчитанный по формуле Нернста калиевый равновесный по­тенциал.

Ионы Cl^- в нервных волокнах не играют существенной роли в генезе потенциала покоя, поскольку проницаемость для них покоящейся мембраны относительно мала. В от­личие от этого в скелетных мышечных волокнах проницаемость покоящейся мембраны для ионов хлора сравнима с калиевой, и потому диффузия Cl^- внутрь клетки увеличи­вает значение потенциала покоя. Рассчитанный хлорный равновесный потенциал (E_cl) при соотношении Cl_o/Cl_i = — 85 мВ.

Таким образом, величина потенциала покоя клетки определяется двумя основными факторами: а) соотношением концентраций проникающих через покоящуюся поверхно­стную мембрану катионов и анионов; б) соотношением проницаемостей мембраны для этих ионов.

Для количественного описания этой закономерности используют обычно уравнение Гольд-мана — Ходжкина — Катца:

где Ем — потенциал покоя, Рк, Р_Na, P_Cl — проницаемости мембраны для ионов K⁺, Na⁺ и Cl^- соот­ветственно; Ko⁺, Na_o⁺ и Cl_o^-— наружные концентрации ионов K⁺, Na⁺ и Cl^-, a K_i⁺, Na_i⁺ и Cl_i^-— их внутренние концентрации.

Было рассчитано, что в изолированном гигантском аксоне кальмара при Е_M== —50 мВ имеется следующее соотношение между ионными проницаемостями покоящейся мембраны:

Уравнение дает объяснение многим наблюдаемым в эксперименте и в естественных условиях изменениям потенциала покоя клетки, например ее стойкой деполяризации при действии некоторых токсинов, вызывающих повышение натриевой проницаемости мембраны. К таким токсинам относят­ся растительные яды: вератридин, аконитин и один из наиболее сильных нейротоксинов — батрахотоксин, продуцируемый кожными железами колумбийских лягушек.

Деполяризация мембраны, как это следует из уравнения, может возникать и при неизменной Р_Na, если повысить наружную концентрацию ионов K⁺ (т. е. увеличить отношение Ко/К). Такое изменение потенциала покоя является отнюдь не только лабораторным феноменом. Дело в том, что концентрация K⁺ в межклеточной жидкости заметно повышается во время активации нервных и мышечных клеток, сопровождающейся повышением Р_K.. Особенно значительно возрастает концен­трация K⁺ в межклеточной жидкости при нарушениях кровоснабжения (ишемия) тканей, например ишемии миокарда. Возникающая при этом деполяризация мембраны приводит к прекращению ге­нерации потенциалов действия, т. е. нарушению нормальной электрической активности клеток.

РОЛЬ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ В ГЕНЕЗЕ И ПОДДЕРЖАНИИ ПОТЕНЦИАЛА ПОКОЯ

(НАТРИЕВЫЙ НАСОС МЕМБРАНЫ)

Несмотря на то что потоки Na⁺ и K⁺ через мембрану в покое малы, разность кон­центраций этих ионов внутри клетки и вне ее должна была бы в конечном итоге вы­ровняться, если бы в клеточной мембране не существовало особого молекулярного уст­ройства — «натриевого насоса», которое обеспечивает выведение («выкачивание») из цитоплазмы проникающих в нее Na⁺ и введение («нагнетание») в цитоплазму K⁺. Нат­риевый насос перемещает Na⁺ и К⁺ против их концентрационных градиентов, т. е. со­вершает определенную работу. Непосредственным источником энергии для этой работы является богатое энергией (макроэргическое) соединение— аденозинтрифосфорная кис­лота (АТФ), являющаяся универсальным источником энергии живых клеток. Расщеп­ление АТФ производится макромолекулами белка — ферментом аденозинтрифосфатазой (АТФ-азой), локализованной в поверхностной мембране клетки. Энергия, выделяющаяся при расщеплении одной молекулы АТФ, обеспечивает выведение из клетки трех ионов Na⁺ взамен на два иона K⁺, поступающих в клетку снаружи.

Торможение активности АТФ-азы, вызываемое некоторыми химическими соедине­ниями (например, сердечным гликозидом уабаином), нарушает работу насоса, вследст­вие чего клетка теряет К⁺ и обогащается Nа⁺. К такому же результату приводит тормо­жение окислительных и гликолитических процессов в клетке, обеспечивающих синтез АТФ. В эксперименте это достигается при помощи ядов, ингибирующих указанные про­цессы. В условиях нарушения кровоснабжения тканей, ослабления процесса тканевого дыхания происходит угнетение работы электрогенного насоса и как следствие накопление К⁺ в межклеточных щелях и деполяризация мембраны.

Роль АТФ в механизме активного транспорта Na⁺ прямо доказана в опытах на ги­гантских нервных волокнах кальмара. Было установлено, что путем введения внутрь волокна АТФ можно временно восстановить работу натриевого насоса, нарушенную ин­гибитором дыхательных ферментов цианидом.

Первоначально полагали, что натриевый насос электронейтрален, т. е. число обме­ниваемых ионов Na⁺ и К⁺ равно. В дальнейшем выяснилось, что на каждые три иона Na⁺ выводимые из клетки, в клетку поступает только два иона К'⁺. Это означает, что насос электрогенен: он создает на мембране разность потенциалов, суммирующуюся с потенциалом покоя.

Этот вклад натриевого насоса в нормальную величину потенциала покоя у различных клеток не одинаков: он, по-видимому, незначителен в нервных волокнах кальмара, но существен для потенциала покоя (составляет около 25% от полной величины) в гигант­ских нейронах моллюсков, гладких мышцах.

Таким образом, в формировании потенциала покоя натриевый насос играет двоякую роль: 1) создает и поддерживает трансмембранный градиент концентраций Na⁺ и К⁺;

2) генерирует разность потенциалов, суммирующуюся с потенциалом, создаваемым диф­фузией К⁺ по концентрационному градиенту.