31. Биоэлектрические потенциалы. Потенциал покоя. Механизм генерации потенциала действия.

Концентрации различных ионов внутри и снаружи клетки неодинаковы. Во внеклеточном пространстве имеется избыток ионов Na⁺ , Cl^-, внутри клетки ионов К⁺. Они могут диффундировать через пористую белковую структуру мембраны. Скорости диффузии разных ионов различны. Помимо указанных ионов внутриклеточные и внеклеточные жидкости содержат большое количество отрицательных ионов (ионов фосфатов, карбонатов и т.д.). Но размеры этих ионов больше, чем ионные каналы и их диффузионным эффектом можно пренебречь.

Рассмотрим диффузионные процессы на примере ионов К⁺. Их концентрация внутри клетки в 30 раз больше, чем во внеклеточном пространстве.

Если бы мембрана была пассивной структурой ,т.е., разделяла бы два участка с одинаковым электрическим потенциалом, то ионы К⁺ диффундировали бы в обоих направлениях с одинаковой скоростью, и градиента концентрации не возникало бы. Но на поверхностях мембраны имеется двойной слой зарядов, и существует разность потенциалов, которая приблизительно равна-70 мВ. Эта разность потенциалов между цитоплазмой и окружающей средой называется потенциалом покоя. Он обусловливает наличие градиента концентрации различных ионов. Отметим, что жидкость с каждой стороны мембраны электрически нейтральна. Заряды имеются только на внутренней и внешней поверхности мембраны.

Разность потенциалов, которая обеспечивает равновесное отношение концентраций, дается уравнением Нернста:

где с_i - концентрация ионов внутри клетки, c_o - снаружи клетки, а φ - в мВ. Для отрицательных ионов знак разности потенциалов меняется на противоположный.

Полная плотность потока ионов K⁺, Na⁺, Cl^- с учетом знаков равна

I = I_K + I_Na - I_Cl

В стационарном состоянии I=0, т.е. число ионов, выходящих из клетки в единицу времени равно числу ионов, входящих в клетку. В общем случае потенциал покоя дается уравнением Гольдмана-Ходжкина-Катца

где квадратными скобками [ ]_i и [ ]_o обозначены концентрации ионов соответственно внутри и вне клетки.

Потенциал покоя – стационарная разность электрических потенциалов между внутренней и наружной поверхностями мембраны в невозбужденном состоянии.

Если вычислить потенциал Нернста, то для ионов Cl^- имеем φ (Cl^-) = -70 мВ. Потенциал покоя также равен - 70 мВ т.е. ионы будут диффундировать во внутрь клетки и наружу с одинаковыми скоростями, а разность концентраций будет поддерживаться за счет разности потенциалов.

Если бы диффузия была единственным процессом, управляющим движением ионов через мембрану, то через некоторое время установилось бы равновесное отношение концентраций. Но помимо диффузии действуют также системы активного транспорта – натрий-калиевые насосы, и их действие противоположно направлению нормальной диффузии.

При возбуждении клетки разность потенциалов между клеткой и окружающей средой изменяется – возникает потенциал действия.

Потенциалом действия называется электрический импульс, возникающий между внутренней и наружной сторонами мембраны и обусловленный изменением ионной проницаемости мембраны.

Рассмотрим распространение потенциала действия в нервном волокне. Нервная клетка или нейрон состоит из клеточного тела и выроста, называемого аксоном. Нейрон можно привести в возбужденное состояние в любой точке аксона электрическим, химическим или механическим способом.

.Генерация и распространение потенциаВ состоянии покоя мембранный потенциал равен -70 мВ