Мембранная теория возникновения биоэлектрических потенциалов

Современными         методами исследования (электронная микроскопия, рентгено-структурный анализ, атомно-абсорбционная микроскопия и т.п.) установлено, что все процессы, связанные с электрическими явлениями в живых клетках происходят на поверхности мембраны клетки. Мембрана — сложное структурное образование толщиной 6–10 нм, состоящее в основном из белков и липидов. Мембрана образована двумя слоями фосфолипидных молекул, в которые погружены молекулы белков. Часть белков глубоко входит в фосфолипидный бислой или дальше проникает насквозь, а часть белков лишь частично соприкасается с фосфолипидами. В трехмерном изображении белки выглядят как крупные, беспорядочно расположенные глобулины. Имеются особые белки, которые пронизывают мембрану и образуют каналы. Каналы состоят из собственно транспортной системы и так называемого воротного механизма — «ворот», управляемых электрическим полем мембраны. «Ворота» могут быть или открыты или закрыты специальными молекулами белка. Через эти «ворота» могут проходить те или иные ионы. Для каждого вида ионов существуют свои ионные каналы в мембране. Ионные каналы нервных и мышечных клеток подразделяются на натриевые, калиевые, кальцевые и хлорные. Суммарная проводимость мембраны для того или иного иона определяется числом одновременно открытых каналов, проницаемых для данного иона каждый вид ионного канала блокируется определенными химическими веществами (тетродотоксин, нифедипин). Диаметры калиевых каналов — 0,3 нм, натриевых — 0,5 нм.

Проницаемость через мембрану клетки в состоянии покоя для разных ионов различна. Ионы калия проникают в 25 раз быстрее, чем ионы натрия и в 2 раза быстрее ионов хлора. Установлено, что движение ионов через клеточную мембрану происходит в обе стороны.

Одной из первых теорий происхождения биоэлектрических потенциалов была диффузионная теория русского физиолога В.Ю.Чаговца (1896 г), основанная на теории электролитической диссоциации Аррениуса. В.Ю. Чаговец установил, что в раздражаемом участке возбудимой ткани (мышца, нерв) повышается обмен веществ и усиленно образуется Н₂СО₃, которая быстро диссоциирует на положительно заряженные ионы Н⁺ и отрицательно заряженные анионы НСО^-3. Из этого участка ионы Н⁺ быстро диффундируют по всей ткани, а НСО^-3 — медленно, в результате чего возникает разность потенциалов между нормальными участками ткани и раздражаемыми.

В 1902 г Ю. Бернштейн предложил мембранную теорию, которая была основана на разнице зарядов внутри и снаружи клетки. Но эта теория не полностью отражала происхождение электрических потенциалов в мембране клетки.

В 1948 г А. Ходжкин, А. Хаксли и Б. Катц (английские электрофизиологи) получили Нобелевскую премию за «оперирование на аксонах нейронов». Именно эти ученые разработали современную мембранную теорию возникновения биоэлектрических потенциалов, или теорию калий-натриевого насоса.

Потенциал покоя. Мембранный потенциал покоя — электрический потенциал между внутренней стороной плазматической мембраны и наружной поверхностью клеточной мембраны. По отношению к наружной поверхности в покое внутренняя сторона мембраны заряжена всегда отрицательно. Для каждого вида клеток потенциал покоя величина практически постоянная. У теплокровных она составляет: в волокнах скелетных мышц — 90 мВ, в клетках миокарда — 80, в нервных клетках и волокнах — 60–70, в секреторных железистых клетках — 30–40, в клетках гладких мышц — 30–70 мВ. Потенциалом покоя обладают все живые клетки, но его величине значительно меньше (например, в эритроцитах — 7–10 мВ).

Согласно современной мембранной теории потенциал покоя возникает за счет пассивного и активного движения ионов через мембрану.

Пассивное движение ионов осуществляется по градиенту концентрации и не требует затрат энергии. В состоянии покоя клеточная мембрана более проницаема для ионов калия. Цитоплазма мышечных и нервных клеток содержит в 30–50 раз больше ионов калия, чем в межклеточной жидкости. Ионы калия в цитоплазме находятся в свободном состоянии и согласно градиенту концентрации диффундируют через клеточную мембрану во внеклеточную жидкость, в ней они не рассеиваются, а удерживаются на внешней поверхности мембраны внутриклеточными анионами.

Внутри клетки содержатся в основном анионы органических кислот: аспарагиновой, уксусной, пировиноградной и др. Содержание неорганических анионов в клетке сравнительно небольшое. Анионы не могут проникать через мембрану и остаются в клетке, располагаясь на внутренней поверхности мембраны.

Так как ионы калия имеют положительный заряд, а анионы — отрицательный, то внешняя поверхность мембраны заряжена положительно, а внутренняя — отрицательно. Ионов натрия в 8–10 раз больше во внеклеточной жидкости, чем в клетке, проницаемость их через мембрану незначительно. Проникновение ионов натрия из внеклеточной жидкости внутрь клетки приводит к некоторому уменьшению потенциала покоя. Диффузия внутрь клетки ионов хлора, содержание которых во внеклеточной жидкости в 15–30 раз выше, вызывает некоторое увеличение потенциала покоя. В мембране также существует специальный молекулярный механизм, который обеспечивает активный перенос ионов натрия и калия в сторону их повышенной концентрации и поддерживает ионную ассимметрию.

Активный перенос ионов осуществляется в результате деятельности ионного калий-натриевого насоса («помпы»). Активный транспорт ионов натрия из клетки связаны со входом ионов калия в клетку. В сопряженном калий-натриевом насосе движение ионов осуществляется переносчиками, а последние транспортируются с участием метаболитической энергии распада АТФ. За счет энергии гидролиза одной молекулы АТФ три иона натрия выводятся наружу, а два иона калия поступают внутрь клетки.

В мышечных волокнах в состоянии покоя на обеспечение работы ионных насосов тратится до 20% энергетических ресурсов клетки.

Расщепление АТФ происходит под влиянием фермента аденозинтрифосфатазы. Отравление нервных волокон монойодацетатом, цианидами, динитрофенолом и другими веществами, выключающими процессы гликолиза и синтеза АТФ, приводит к снижению содержания АТФ в цитоплазме и прекращению работы натрий-калиевого насоса.

Мембрана также проницаема и для ионов CI^- (особенно в мышечных волокнах). Распределение ионов хлора по обе стороны мембраны клетки противоположно распределению ионов калия. В клетках с высокой проницаемостью для ионов хлора ионы К⁺ и CI^- в равной степени участвуют в создании потенциала покоя, в других клетках вклад в этот потенциал ионов CI^- невелик.

Таким образом, свойственный клетке потенциал покоя обусловлен главным образом движением ионов К⁺ по градиенту концентрации. Потенциал покоя является основой возникновения распространяющегося возбуждения (импульса) в возбудимых тканях. Снижение величины мембранного потенциала (покоя) называется деполяризацией мембраны, а увеличение —гиперполяризацией.

Потенциал действия. Потенциалом действия называют быстрое колебание мембранного потенциала, возникшее при возбуждении нервных и мышечных клеток. Обязательный признак возбуждения — изменение электрического состояния клеточной мембраны. Под влиянием раздражителя заряд мембраны начинает быстро уменьшаться до нуля и затем вновь появляться, но только с обратным знаком. Происходитреверсия  заряда мембраны: внутренняя ее сторона заряжается положительно, а наружная — отрицательно. Затем вновь восстанавливаются первоначальные заряды мембраны. Вот это пикообразное колебание потенциала, возникающее при перезарядке мембраны, с последующим восстановлением ее исходного заряда и есть потенциал действия.

Пик потенциала действия связан с процессом возбуждения, он имеет восходящую и нисходящую фазы. Во время восходящей фазы вначале исчезает исходная поляризация мембраны, поэтому ее называют фазойдеполяризации, затем изменяется  знак потенциала — реверсия. Во время нисходящей фазы заряд мембраны возвращается к уровню покоя, и ее называют реполяризацией.

Фаза реполяризации длится 1–2 миллисекунды. Последний участок фазы реполяризации часто бывает замедлен, здесь проявляются так называемые следовые потенциалы — деполяризационный, отрицательный или гиперполяризационный, положительный. Первый механизм наблюдается при обычной силе раздражителя, второй — при большой силе или частоте раздражений.

Общая длительность потенциала действия в разных нервных и скелетных мышечных волокнах составляет 0,5–5 мс, в клетках сердечной мышцы – десятки и сотни миллисекунд.

Во время деполяризации, смены полярности и в начале фазы реполяризации соответствующий участок мембраны временно становится полностью невозбудимым (рефрактерным).

Это — период абсолютной рефрактерности. Например, если раздражать нерв парными электрическими импульсами с интервалом менее 2 мс, то второе раздражение не дает эффекта, так как попадает во времени на фазу абсолютной рефрактерности.

Период постепенного восстановления возбудимости, когда она еще не достигла обычного уровня, называется периодом относительной рефрактерности. Для возникновения потенциала действия в этот период необходимо приложить большую силу раздражителя. Свойство рефрактерности обусловлено степенью инактивации натриевых каналов: чем выше инактивация  тем полнее рефрактерность.

Рефрактерность играет важную роль в возбудительном процессе, ограничивая максимальную частоту генерации потенциалов действия и устанавливая предельный ритм импульсации (меру «лабильности» ткани по Н.Е. Введенскому). Большинство нервных и мышечных клеток способно при раздражении генерировать импульсы с максимальной частотой 200–300 в/секунду, некоторые — до 1000.

Современная мембранная теория объясняет довольно сложный механизм возникновения потенциала действия. Основные положения этой теории сводятся к работе натриевых и калиевых каналов. Предполагается, что в результате деполяризации потенциал мембраны достигает порогового значения (примерно — 50 мВ у нервной клетки), изменяется конформация потенциалзависимых белковых молекул, открывающих и закрывающих «ворота» ионных калий, -натриевых каналов. Потенциал действия возникает в результате прохождения ионных потоков через мембрану: движение ионов натрия внутрь клетки приводит к перезарядке мембраны, а выход из клетки ионов калия восстанавливает исходный потенциал покоя. Потоки приблизительно равны по величине, но сдвинуты во времени.

При действии слабых (допороговых) раздражителей проницаемость мембраны для ионов натрия увеличивается незначительно и деполяризация не достигает критического уровня. Такая деполяризация получила названиеместного потенциала, который не распространяется, а затухает вблизи места своего возникновения. При повторных допороговых раздражениях они могут суммироваться, достигать критического уровня деполяризации и вызывать появление потенциала действия (явление суммации).