Nikolls_-_Ot_neyrona_k_mozgu
.pdf
Глава 5. Ионные механизмы потенциала покоя |
93 |
Рис. 5.3.
Электрическое отведение от аксона кальмара. (А) Фотография изолированного аксона кальмара с введенным в него электродом. (В) Удаление аксоплазмы из аксона, который затем наполняется внутриклеточным перфузионным раствором. (С) Сопоставление отведений после
(perfused) и до (intact)
перфузии показывает, что удаление аксоплазмы не влияет как на потенциал покоя, так и на потенциал действия.
Fig. 5.3. Recording from a Squid Ахоп. (A)
Isolated giant |
axon of |
|||
the |
squid, |
with |
axial |
|
recording |
|
electrode |
||
inside. (B) |
Extrusion of |
|||
axoplasm |
from |
the |
||
axon, |
which |
is |
then |
|
cannulated |
|
|
and |
|
perfused internally. |
(C) |
|||
Comparison |
of records |
|||
before (intact) |
and |
after |
||
perfusion shows that the
resting |
and |
action |
|
potentials |
|
are |
|
unaffected by |
removal |
||
of the |
axoplasm. |
(A |
|
from |
Hodgkin |
and |
|
Keynes 1956; В and С |
|||
after Baker, |
Hodgkin, |
||
and Shaw, 1962.) |
|
||
Если бы мембранный потенциал был равен равновесному потенциалу для калия, его значение было бы –93 мВ. В действительности мембранный потенциал гораздо менее отрицателен (от – 65 до –70 мВ). С другой стороны, это значение более отрицательно, чем равновесный потенциал для хлора (+55 мВ). Гипотеза Бернштейна была проверена путем измерения потенциала покоя и сравнения его с калиевым равновесным потенциалом при различных значениях внеклеточной концентрации калия. Заметим, что, как и в случае модели идеальной клетки, изменения уровня калия снаружи не влекут за собой значительных изменений его внутриклеточной концентрации. Из уравнения Нернста следует, что изменение концентрационного градиента в 10 раз при комнатной температуре приведет к изменению мембранного потенциала на 58 мВ. Результат эксперимента по варьированию внеклеточного уровня калия показан на рис. 5.4. На оси абсцисс представлен логарифм внеклеточной концентрации калия, а на оси ординат — мембранный потенциал.
94 Раздел II. Передача информации в нервной системе
Таблица 5.1. Концентрации ионов снаружи и внутри аксонов кальмара.
Table 5.1. Concentrations of ions inside and outside freshly isolated axons of squid.
ion |
Concentration (ммоль) |
||
|
|
|
|
|
Axoplasm |
Blood |
Scawater |
|
|
|
|
Potassium |
400 |
20 |
10 |
Sodium |
50 |
440 |
460 |
Chloride |
60 |
560 |
540 |
Calcium |
0,1 мкМа |
10 |
10 |
Source: After Hodjkin, 1964.
а· Ionized intracellular calcium from Baker, Hodgkin, and Ridgeway, 1971.
Теоретически предсказанный угол наклона кривой (соответствующий изменению потенциала на 58 мВ при десятикратном изменении концентрации и показанный прямой линией) в действительности достигается лишь при сравнительно высоких концентрациях. Чем ниже концентрация калия, тем меньше угол наклона кривой. Данные показывают, что распределение ионов калия не является единственным фактором, формирующим мембранный потенциал.
Роль натриевой проницаемости
Из экспериментов на аксоне кальмара можно заключить, что гипотеза, высказанная Бернштейном в 1902 г., была близка к истине: трансмембранный градиент калия является важным, хотя и не единственным фактором, влияющим на мембранный потенциал. Чем можно объяснить отклонение экспериментальной кривой, показанной на рис. 5.4, от уравнения Нернста? Оказывается, для этого достаточно снять ограничение с модели, состоящее в том, что мембрана непроницаема для ионов натрия. Мембрана реальной клетки действительно обладает натриевой проницаемостью, которая составляет от 1 до 10 % калиевой.
Для рассмотрения роли натриевой проницаемости обратимся к модели идеальной клетки и временно исключим из поля зрения перемещение ионов хлора. Мембранный потенциал равен калиевому равновесному потенциалу, поэтому перемещение суммарного заряда через мембрану отсутствует, клетка находится в покое. Если теперь ввести в модель натриевую проницаемость, то натрий будет стремиться войти в клетку благодаря как своему концентрационному градиенту, так и мембранному потенциалу. По мере входа натрия на внутренней поверхности мембраны накапливается положительный заряд и мембрана деполяризуется. В результате ионы калия выходят из равновесия и начинают покидать клетку. С увеличением деполяризации мембраны движущая сила для входа натрия снижается, в то время как движущая сила для выхода калия возрастает. Процесс продолжается до тех пор, пока оба ионных потока не уравновесят друг друга. В этот момент изменение мембранного потенциала прекращается, поскольку какое-либо накопление заряда отсутствует. Вообще говоря, значение мембранного потенциала расположено между калиевым и натриевым равновесными потенциалами и определяется равновесием между калиевым и натриевым токами, равными по величине и направленными в противоположные стороны.
Ионы хлора также участвуют в этом процессе, однако, как мы убедились ранее, равновесный потенциал для хлора подстраивается под новое значение мембранного потенциала за счет изменения внутриклеточной концентрации этого иона. По мере того как токи катионов постепенно приходят в равновесие, внутриклеточный уровень хлора возрастает до тех пор, пока суммарный хлорный ток не станет равным нулю.
Уравнение постоянного поля
Для того чтобы вычислить точное значение мембранного потенциала для модели идеальной клетки, необходимо принять во внимание отдельные ионные токи, протекающие через мембрану. Входящий натриевый ток (iNa) зависит от величины движущей силы для ионов натрия (Vm—ENa) (глава 2), а также от натриевой проводимости мембраны (gNa). Проводи-
Глава 5. Ионные механизмы потенциала покоя |
95 |
Рис. 5.4. Зависимость мембранного потенциала от внеклеточной концентрации калия на аксоне кальмара (полулогарифмическая шкала). Прямая линия проведена под углом наклона, равным 58 мВ на десятикратное изменение внеклеточного уровня калия, в соответствии с уравнением Нернста. Благодаря наличию мембранной проницаемости для натрия, экспериментальные данные расходятся с прямой линий, особенно при низких концентрациях калия.
Fig. 5.4. Membrane Potential versus External
Potassium Concentration in squid ixon, plotted on a semilogarithmic scale. The straight line is drawn with a slope of 58 mV per 10-fold change in extracellular potassium concentration, according to the Nernst equation. Because the membrane is also permeable to sodium, the points deviate from the straight line, especially at low potassium concentrations. (After Hodgkin and Keynes,
1955.)
мость пропорциональна среднему количеству натриевых каналов, находящихся в открытом состоянии при потенциале покоя: чем больше открытых каналов, тем выше проводимость. Таким образом, натриевый ток равен:
Тот же подход справедлив и для калия и хлора:
Если принять iCl, = 0 (т. е. ионы хлора находятся в равновесии), то, для сохранения
неизменного значения мембранного потенциала, калиевый и натриевый токи должны быть равны по величине и противоположны по направлению:
Рассмотрим это уравнение более подробно. Предположим, что gK значительно больше gNa.
Тогда, для того чтобы токи были равны, движущая сила для выхода калия должна быть значительно меньше движущей силы для натриевого входа. Другими словами, мембранный потенциал должен быть ближе к ЕK , чем к ENa. Соответственно, если значение gNa велико, то мембранный потенциал будет ближе к ENa.
Преобразовав выражение, получим формулу для мембранного потенциала:
Если по той или иной причине ионы хлора не находятся в равновесии, то формула приобретает несколько более сложный вид:
Вышеприведенные расчеты были первоначально проведены Голдманом4) и, независимо от него, Ходжкином и Катцем5), с той лишь разницей, что вместо равновесных потенциалов и проводимостей они оперировали ионными концентрациями снаружи ([Na]0,...) и внутри ([Na]i,...) клетки, а также проницаемостью мембраны для каждого из ионов (pNa···):
Так же как и ранее, хлорные компоненты выражения не рассматриваются, если ионы хлора находятся в равновесии. Уравнение называется «уравнением ГХК» по фамилиям авторов, или уравнением постоянного поля, поскольку одним из допущений при выводе уравнения является равномерное распределение градиента напряжения (т.е. «поля») на всем протяжении мембраны. Уравнение ГХК полностью аналогично уравнению проводимостей, на его основании можно сделать те же предсказания: когда проницаемости для натрия и хлора малы по сравнению с калиевой проницаемостью, хлорный и натриевый компоненты уравнения становятся пренебрежимо малы, и мембранный потенциал стремится к значению равновесного потенциала для
96 |
Раздел II. Передача информации в нервной системе |
Рис. 5.5. Пассивные ионные токи и работа насосов в состоянии покоя. Пунктирные стрелки указывают направление пассивного движения ионов через мембрану клетки, а сплошные — направление переноса ионов транспортными системами. Длина стрелки отражает относительную величину суммарного переноса заряда. Суммарный ток для каждого иона равен нулю. Например, суммарный пассивный вход натрия равен по величине транспорту этого иона из клетки наружу. Транспорт Na : К осуществляется в соотношении 3 : 2. В зависимости от конкретной клетки транспорт хлора может быть выходящим (как показано на рисунке) или входящим.
Fig. 5.5. Passive Ion Fluxes and Pumps in a Steady State. Net passive ion movements across the membrane are indicated by dashed arrows, transport systems by solid arrows and circles. Lengths of arrows indicate the relative magnitudes of net ion movements. Total flux is zero for each ion. For example, the net inward leak of Na+ is equal to the rate of outward transport. Na : К transport is coupled with a ratio of 3 : 2. In any particular cell. Cl--transport may be outward (as shown) or inward.
калия: Vm = 58 log([K]0/[K]1). При увеличении натриевой проницаемости мембранный потенциал сдвигается в сторону натриевого равновесного потенциала.
Из уравнения постоянного поля следует один важный принцип. Мембранный потенциал зависит от проводимости (или проницаемости) мембраны для важнейших ионов, а также от их равновесных потенциалов. В реальных клетках проводимости для калия и хлора сравнительно· высоки, поэтому потенциал покоя клетки близок к равновесным потенциалам для этих двух ионов. При увеличении натриевой проводимости, например, во время потенциала действия (глава 6) или возбуждающего постсинаптического потенциала (глава 9), мембранный потенциал сдвигается в сторону натриевого равновесного потенциала.
Потенциал покоя
Несмотря на то, что во многих случаях уравнение ГХК. весьма полезно, оно не дает возможности правильно вычислить потенциал покоя. Дело в том, что условие равенства суммарного тока нулю неправомочно: третье условие равновесия, а именно требование, чтобы каждый отдельный ионный ток равнялся нулю, не выполняется. В результате клетка будет постепенно терять калий и наполняться натрием и хлором. В реальных клетках концентрации натрия и калия поддерживаются на постоянном уровне при помощи натрий-калиевых насосов (глава 4). В противовес непрерывному потоку натрия внутрь клетки и калия наружу, эти насосы переносят оба эти иона в определенной пропорции в направлении, противоположном их пассивному движению (рис. 5.5). Следовательно, для поддержания клетки в стабильном состоянии затрачивается метаболическая энергия.
Чтобы получить более полную формулу потенциала покоя, необходимо принять во внимание как пассивное движение ионов, так и их активный транспорт, осуществляемый насосами. Рассмотрим сначала пассивное движение ионов натрия и калия через мембрану:
Отказавшись от предположения о том, что токи эти равны по величине и противоположны по направлению, но зная соотношение между ними, можно получить уравнение мембранного потенциала, исходя из равновесных потенциалов для натрия и калия, а также их относительных проводимостей. Здесь уже нужно учитывать влияние насоса. Поскольку насос поддерживает внутриклеточные концентрации натрия и калия на постоянном уровне, перенося ионы в соотношении 3 : 2, то и пассивные токи должны находиться в том же соотношении: iNa/iK = 3/2. Имеем следующее выражение:
Соотношение имеет отрицательную величину, потому что направления натриевого и калиевого токов противоположны. Преобразовав выражение, получим:
Это уравнение похоже на полученное выше для модели идеальной клетки, и на его
Глава 5. Ионные механизмы потенциала покоя |
97 |
основании можно сделать то же предсказание: значение мембранного потенциала будет определяться относительными величинами gNa и gК. Отличие настоящей формулы состоит в том, что члены, относящиеся к калию, умножены на 1,5. Благодаря этому фактору мембранный потенциал будет ближе к EK. Таким образом, движущая сила для входа натрия возрастает, а для выхода калия, наоборот, уменьшается. В результате и пассивные токи натрия и калия будут находиться в соотношении 3 : 2, а не 1:1.4,
Обобщая вышесказанное, можно сделать вывод, что потенциал покоя — это такое значение мембранного потенциала, при котором входящий натриевый ток не равен по величине выходящему калиевому, а превосходит его в 1,5 раза. Пассивные токи обоих ионов определяются их равновесными потенциалами и проводимостями, в то время как соотношение токов 3 : 2 продиктовано стехиометрическими характеристиками насоса.
Задачу по выводу формулы потенциала покоя для реальных клеток впервые взяли на себя Муллинс и Нода6). С помощью внутриклеточных микроэлектродов они исследовали влияние изменения ионных концентраций на мембранный потенциал мышечной клетки. Подобно Голдману, Ходжкину и Катцу, они получили выражение, связывающее мембранный потенциал с проницаемостями и концентрациями отдельных ионов. Результат аналогичен только что полученному нами уравнению, основанному на проводимостях и равновесных потенциалах:
где r — абсолютное значение соотношения ионного транспорта (3 : 2). Уравнение точно описывает потенциал покоя при условии, что все остальные ионы, проникающие сквозь мембрану (такие как хлор), находятся в равновесии.
Распределение хлора
Насколько применимы подобные рассуждения для хлора? Как и для других ионов, суммарный ток хлора должен быть равен нулю. Как показано выше (рис. 5.2В), равновесие ионов хлора достигается путем простого изменения его внутриклеточной концентрации, без изменения при этом мембранного потенциала. Тем не менее, во многих клетках существуют транспортные системы для хлора (глава 4). В аксоне кальмара и в мышце активные транспортные системы переносят ионы хлора внутрь клетки; во многих нервных клетках, напротив, хлор выводится из клетки (см. рис. 5.5). В результате активного транспорта хлора в клетку, его внутриклеточная концентрация возрастает, что приводит к усилению выходящего пассивного тока утечки хлора, равного по величине активному входящему току 7). Транспорт хлора из клетки наружу производит обратное действие.
Электрическая модель мембраны
Для тех, кто предпочитает иметь дело с электрическими схемами, вышеприведенные рассуждения показаны на рис. 5.6 в обобщенном виде. Потенциалы ENa, ЕK и ЕCl показаны в виде батарей, а проводимости для натрия, калия и хлора изображены в виде сопротивлений (резисторов). Пассивные токи через сопротивления равны и противоположны токам, генерируемым соответствующими насосами, поэтому суммарный ток через мембрану для каждого иона равен нулю.
Ожидаемые значения мембранного потенциала
Можно ли, основываясь на вышеприведенных соображениях, объяснить нелинейную зависимость мембранного потенциала от концентрации калия, показанную иа рис. 5.4? Ответ станет очевидным, если подставить в формулу реальные значения. Для аксона кальмара соотношение констант проницаемости для натрия и калия приблизительно равно 0,04 : 1,0.5 Воспользовавшись этими данными, а также значениями ионных концентраций из табл. 5.1, получим потенциал покоя в морской воде:
Становится очевидным, почему при изменении внеклеточной концентрации калия мембранный потенциал не строго подчиняется уравнению Нернста для калия, как показано на рис. 5.4. Если сравнить слагаемые в знаменателе, относящиеся к калию ( 1,5 x 10 = 15) и к натрию (0,04 x 460 = 18,4), то получится, что вклад калия составляет всего около 45%. По этой причине, увеличение внеклеточной концентрации калия вдвое не приведет к удвоению числителя (как было бы
98 |
Раздел II. Передача информации в нервной системе |
|
|
|
|||
|
|
Рис. |
5.6. |
Электрическая |
схема |
||
|
|
мембраны |
клетки |
в |
|
состоянии |
|
|
|
равновесия, показанном на рис. 5.5. Ek, |
|||||
|
|
ENal и EСl — потенциалы Нернста для |
|||||
|
|
соответствующих ионов. |
Отдельные |
||||
|
|
ионные проводимости представлены в |
|||||
|
|
виде сопротивлений (величина которых |
|||||
|
|
равна |
1/g |
для каждого иона). |
|||
|
|
Отдельные ионные токи (iK , . . . ) равны |
|||||
|
|
по величине и противоположны по |
|||||
|
|
направлению |
токам, |
генерируемым |
|||
|
|
натрий-калиевым обменником (ТNa--K) и |
|||||
|
|
хлорным насосом (ТCl ), поэтому |
|||||
|
|
суммарный ток через мембрану для |
|||||
|
|
каждого иона равен нулю. Vm — |
|||||
|
|
устанавливающийся |
в |
результате |
|||
|
|
мембранный потенциал. |
|
|
|
||
Fig. 5.6. Electrical Model oflhe Steady-State Cell Membrane shown in Figure 5.5. ЕK, ЕNa, and ECl are the Nernst potentials for the individual ions. The individual ion conductances are represented by resistors (having a resistance of
1/g for each ion). The individual ion currents (iK, iNa, and iNa) are equal and opposite to the currents (i T(K), iΤ(Na)' and iT(Cl)) supplied by the sodium-potassium exchange pump (TNA--K), and the chloride pump (Ta), so the net flux of each ion
across the membrane is zero. The resulting membrane potential is Vm.
в случае полного соответствия с уравнением Нернста), и, следовательно, эффект изменения уровня калия на мембранный потенциал меньше, чем в идеальной ситуации, когда калий является единственным проводящим ионом. Когда внеклеточная концентрация калия возрастает до существенных значений (100 ммоль на рис. 5.4), то роль калиевого компонента в знаменателе становится подавляющей, и кривая зависимости приближается к своему теоретическому углу наклона (58 мВ на 10-кратное увеличение концентрации калия). Этот эффект усиливается благодаря свойству калиевых каналов, обсуждавшемуся в главе 3. Многие калиевые каналы обладают чувствительностью к мембранному потенциалу и открываются при деполяризации, вызванной увеличением внеклеточной концентрации калия. В результате подобного увеличения проницаемости для калия вклад натрия в формирование мембранного потенциала дополнительно снижается.
Вообще, потенциал покоя нервных клеток приблизительно равен -70 мВ. В некоторых клетках, например в скелетной мышце позвоночных 8), потенциал покоя может быть -90 мВ или даже больше, что объясняется значительным превосходством калиевой проводимости над натриевой. Натриевая проводимость глиальных клеток настолько мала, что их потенциал покоя практически равен калиевому равновесному потенциалу (глава 8). В таких клетках, как, например, нейроны ганглиев пиявки 9) или рецепторы сетчатки10), натриевая проводимость достаточно велика, а потенциал покоя составляет всего —40 мВ.
Вклад натрий-калиевого насоса в мембранный потенциал
Натрий-калиевый насос является электрогенным, потому что за каждый цикл его работы из клетки выводится один суммарный положительный заряд, тем самым увеличивая отрицательный заряд на внутренней поверхности мембраны клетки. Насколько велик этот вклад в заряд на мембране? Чтобы ответить на этот вопрос, представим себе, что насос не электрогенен, а нейтрален, то есть соотношение ионов, переносимых насосом внутрь и наружу клетки, равно единице. С учетом этого условия проведем вычисления:
Поскольку полученный потенциал покоя на 6 мВ менее отрицателен, то можно сделать вывод о том, что вклад насоса в потенциал покоя равен -6 мВ. При условии транспорта ионов в соотношении 3 : 2 вклад насоса в потенциал покоя не может превысить -11 мВ11). При остановке ионообмена его влияние на величину потенциала покоя прекращается, и потенциал покоя постепенно снижается по мере накопления в клетке ионов натрия и выхода из нее калия.
Ионные каналы, участвующие в формировании потенциала покоя
Наличие проводимости для натрия, калия и хлора в состоянии покоя было показано во многих клетках. Интересно отметить, что ионные каналы, обеспечивающие эти проводимости, до сих пор не были определены ни в одном типе клеток. Кандидаты
Глава 5. Ионные механизмы потенциала покоя |
99 |
на роль калиевых каналов, активных в диапазоне потенциала покоя, различны в зависимости от типа клеток. Среди них есть каналы, активируемые внутриклеточными катионами: натрий-активируемые и кальций--активируемые калиевые каналы. Кроме того, многие нервные клетки обладают так называемым калиевым каналом типа «М», которые открыты при потенциале покоя и закрываются при участии внутриклеточных посредников (глава 16). Активация большого количества потенциалзависимых калиевых каналов (то есть «замедленного выпрямителя» — delayed rectifier, и каналов типа «А») при потенциале покоя маловероятна. Однако, даже 0,1-1 % от их общего числа было бы достаточно, чтобы создать проводимость, сравнимую с проводимостью в покое 12).
Конкретные носители натриевой проводимости в нервных клетках также неизвестны. В некоторой степени, вход натрия может происходить через калиевые каналы, для большинства из которых проницаемость для натрия составляет от 1 до 3 % от калиевой проницаемости 13). Кроме того, открытые катионные каналы могут способствовать как выходу калия, так и входу натрия, поскольку большая часть этих каналов не обладает высокой селективностью к калию по сравнению с натриевой 14, 15). Дополнительный источник входящего в клетку натрия — это натрий--зависимые вторичные активные транспортные системы (глава 4). Наконец, потенциал--чувствительные натриевые каналы также вносят свой вклад в натриевую проводимость в покое, поскольку эта проводимость блокируется тетродотоксином, хотя и в небольшой степени 9).
Хлорные каналы семейства CLC (глава 3) широко распространены в нервных и мышечных клетках. Наличие хлорных каналов обеспечивает стабилизацию мембранного потенциала (см. ниже). Эти каналы также участвуют в установлении внутриклеточной концентрации хлора, взаимодействуя с системами хлорного транспорта 16, 17). При низком уровне экспрессии каналов CLC, например, в нейронах эмбрионального гиппокампа, значение ЕCl менее отрицательно по сравнению с потенциалом покоя, благодаря вкладу активного транспорта ионов хлора внутрь клетки и их накоплению в цитоплазме. В нейронах взрослого животного экспрессия каналов CLC более выражена, и мембранная проводимость для хлора выше, поэтому накопление внутриклеточного хлора невозможно, и ЕСl равен мембранному потенциалу. В клетках центральной нервной системы до 10%
проводимости мембраны при потенциале покоя обеспечивается за счет хлорных каналов
18).
§3. Изменения мембранного потенциала
Необходимо помнить, что, обсуждая потенциал покоя, мы всегда говорим о состоянии равновесия. Например, выше было сказано, что изменение внеклеточной концентрации хлора не оказывает значительного влияния на мембранный потенциал, потому что внутриклеточная концентрация при этом подстраивается под новые условия. В конце концов это действительно происходит, но процесс занимает какое-то время, и в течение этого времени изменение внеклеточного уровня хлора оказывает влияние на мембранный потенциал.
Равновесный мембранный потенциал представляет собой тот фоновый уровень, на котором происходят все изменения мембранного потенциала. Как они происходят? Обычно кратковременные изменения мембранного потенциала (подобные тем, которые наблюдаются при взаимодействии нейронов между собой) происходят за счет временных изменений проницаемости мембраны. Как мы знаем из уравнения постоянного поля, увеличение натриевой проницаемости (также как и снижение калиевой) приводит к деполяризации, то есть к смещению мембранного потенциала в сторону натриевого равновесного потенциала. Напротив, увеличение калиевой проницаемости вызывает гиперполяризацию. Еше один важный для сигнальных процессов клетки ион — это кальций. Внутриклеточная концентрация кальция очень низка (глава 4), а ЕСа в большинстве клеток превышает +150 мВ. Следовательно, увеличение кальциевой проницаемости должно приводить к входу кальция в клетку и деполяризации мембраны.
Особый интерес представляет влияние хлорной проницаемости на мембранный потенциал. Как было отмечено выше, хлор вносит незначительный вклад в потенциал покоя. Внутриклеточная концентрация хлора подстраивается под новые условия за счет работы существующих хлорных транспортных механизмов. Влияние кратковременного увеличе-
100 |
Раздел II. Передача информации в нервной системе |
ния хлорной проницаемости может выражаться как в гиперполяризации, так и в деполяризации, в зависимости от того, положителен или отрицателен ЕС1 по отношению к потенциалу покоя. Это, в свою очередь, зависит от работы транспортного механизма, либо наполняющего клетку хлором, либо выводящего его наружу. В любом случае, влияние хлора на мембранный потенциал обычно невелико. Тем не менее, увеличение хлорной проницаемости может иметь важное значение для регулирования сигнальных процессов, поскольку оно поддерживает мембранный потенциал в диапазоне ЕCl и за счет этого ослабляет способность других процессов изменить мембранный потенциал.
Поддержание мембранного потенциала на неизменном уровне играет важную роль в регуляции возбудимости таких клеток, как скелетная мышца, хлорная проводимость которой в покое достаточно велика. В таких клетках кратковременный вход положительных ионов вызовет меньшую деполяризацию в присутствии хлорной проницаемости, нежели в ее отсутствии, поскольку их вход отчасти балансируется входом хлора через уже открытые каналы. Мутации хлорных каналов, снижающие хлорную проницаемость мембраны, приводят к некоторым мышечным заболеваниям. Потерявшие нормальную высокую хлорную проводимость мышцы находятся в состоянии повышенной возбудимости (myotonic) 19, 20).
Выводы
·Нервные клетки обладают высокой внутриклеточной концентрацией калия и низкой концентрацией натрия и хлора, так что калий стремится выйти из клетки, а натрий и хлор стремятся войти в нее. Стремлению калия и хлора проникнуть через мембрану в направлении концентрационного градиента противостоит мембранный потенциал.
·В модели идеальной клетки, обладающей только калиевой и натриевой проводи-
мостями, мембранный потенциал может в точности уравновесить концентрационные градиенты таким образом, чтобы суммарный ток обоих ионов равнялся нулю. В этом случае мембранный потенциал соответствует равновесному потенциалу для калия и хлора.
·Изменение внеклеточного уровня калия приводит к изменению его равновесного потенциала и, следовательно, мембранного потенциала. Напротив, изменение внеклеточной концентрации хлора приводит в конечном итоге к изменению его внутриклеточного уровня, так что сдвиг хлорного равновесного потенциала и мембранного потенциала от своих первоначальных значений носит кратковременный характер.
·Мембрана реальных клеток обладает также натриевой проводимостью. В результате в состоянии покоя происходит постоянная диффузия натрия внутрь, а калия наружу клетки. Эти токи в точности уравновешиваются активным ионным транспортным механизмом — натрийкалиевым насосом, работающим по схеме 3 иона натрия к 2 ионам калия. В этих условиях, величина мембранного потенциала зависит от натриевого и калиевого равновесных потенциалов, относительных проводимостей для этих ионов, а также от соотношения ионов в цикле насоса.
·Благодаря тому, что натрий-калиевый насос переносит больше положительных ионов наружу, чем внутрь клетки, он вносит непосредственный вклад в мембранный потенциал в размере нескольких мВ.
·В зависимости от особенностей хлорных транспортных механизмов, равновесный потенциал для хлора может быть как более, так и менее отрицательным по отношению к потенциалу покоя. Несмотря на незначительное влияние распределения хлора на потенциал покоя, наличие высокой хлорной проводимости необходимо для поддержания электрической стабильности клетки.
Рекомендуемая литература
о Hodgkin, A. L., and Katz, В. 1949. The effect of sodium ions on the electrical activity of the giant axon of the squid. J. Physiol. 108: 37-77. (The constant field equation is derived in Appendix A of ihis paper.)
Глава 5. Ионные механизмы потенциала покоя |
101 |
оJunge, D. 1992. Nerve and Muscle Excitation, 3rd Ed. Smaller Associates, Sunderland, MA, Chapters 1-3.
оMullins, L.J., and Noda, K. 1963. The influence of sodium-free solutions on membrane potential of frog muscle
fibers. J. Gen. Physiol. 47: 117-132.
Цитированная литература
1.Bernstein, J. 1902. Pflugers Arch. 92: 521-562.
2.Young, J.Z. 1936. Q.J. Microsc. Sci. 78: 367-386.
3.Hodgkin, A. L. 1973. Proc. R. Soc. Land. В 183: 1-19.
4.Goldman, D. E. 1943. J.Gen. Physiol. 27: 37-60.
5.Hodgkin, A.L., and Katz, R 1949. J. Physiol. 108: 37-77.
6.Mullins, L. J., and Noda, K. 1963. J. Gen. Physiol. 47: 117-132.
7.Matthews, G., and Wickelgren, W. O. 1979. J. Physiol. 293:393-414, Appendix (by A. R. Martin).
8. Fan, P., and Katz, B. 1951. J. Physiol. 115: 320-370.
9.Nicholls, J.G., and Baylor, D.A. 1968. J. Neuro-physiol. 31:740-756.
10.Baylor, D. A., and Fuortes, M. G. F. 1970. J. Physiol. 207: 77-92.
11.Martin, A. R., and Levinson, S. R. 1985. Muscle Nerve 8: 354-362.
12.Edwards, C. 1982. Neuroscience 7: 1335-1366.
13.Hille, B. 1992. Ionic Channels of Excitable Membranes, 2nd Ed. Sinauer Associates, Sunderland, MA, p.
14.Yellen, G. 1982. Nature 296: 357-359.
15.Chua, M., and Betz, W.J. 1991. Biophys. J. 59: 1251-1260.
16.Staley, K., et al. 1996. Neuron 17: 543-551.
17.Mladinic, M., et al. 1999. Proc. A
Soc. Land. В 266: 1207-1213.
18.Gold, M. R., and Martin, A. R. 1983. J. Physiol. 342:99-117.
19.Barchi, R. L. 1997. Neurobiol. Dis. 4: 254-264.
20.Cannon, S.C. 1996. Trends Neurosci. 19: 3-10.
Глава 6. Ионные механизмы потенциала действия
Количественное описание механизмов, участвующих в генерации потенциала действия, стало возможным благодаря методу измерения мембранных токов в условии фиксации потенциала. Этот метод позволяет определить, какой вклад вносят ионы того или иного типа в мембранный ток, а также вычислить величину и временной ход изменений соответствующих ионных проводимостей. Активация натриевой проводимости носит кратковременный характер, за ней следует инактивация. Увеличение калиевой проводимости продолжается до тех пор, пока не закончится деполяризация. Именно зависимость натриевой и калиевой проводимостей от мембранного потенциала и их попеременная активация качественно определяют как амплитуду, так и временной ход потенциала действия, равно как и другие мембранные характеристики, включая порог и рефрактерный период.
Исследование проводимостей одиночных калиевых и натриевых каналов во время потенциала действия проводились в условиях фиксации потенциала участка мембраны. Наблюдаемые при этом принципы работы отдельных каналов соответствуют результатам, полученным ранее в экспериментах с фиксацией потенциала целой клетки: при деполяризации вероятность открытия натриевых и калиевых каналов возрастает. Возрастание вероятности происходит с тем же временным ходом, что и соответствующие токи в условиях фиксации потенциала. Так, натриевые каналы наиболее часто открываются в начале деполяризующего импульса и вероятность таких открытий падает по мере развития натриевой инактивации.
В генерации потенциала действия могут принимать участие и другие катионные каналы. В некоторых клетках фаза роста потенциала действия определяется активацией кальциевых каналов, а реполяризация происходит благодаря активации различных типов калиевых каналов.
§ 1. Натриевые и калиевые токи
Вглаве 5 было продемонстрировано, что потенциал покоя зависит главным образом от разности концентраций калия (как было предложено Бернштейном в 1902 году), и, в меньшей
степени, от концентраций натрия и хлора. Одновременно с созданием Бернштейном теории потенциала покоя, Овертон 1) сделал важное открытие: он показал, что для генерации нервом потенциала действия необходим натрий, и сделал робкое предположение о том, что основой потенциала действия является вход ионов натрия в клетку. Развитие эта гипотеза получила благодаря опытам на аксоне кальмара.
В1939 году Ходжкин и Хаксли 2) показали, что на пике потенциала действия происходит кратковременная смена знака («овершут») потенциала на внутренней стороне мембраны в область положительных значений. Это наблюдение подтвердило участие натрия в потенциале действия, поскольку вход натрия в клетку происходит и при положительных значениях
мембранного потенциала вплоть до натриевого равновесного потенциала ENa. Спустя десятилетие Ходжкин и Катц 3) добились уменьшения явления овершута путем снижения
внеклеточной концентрации натрия, а следовательно, и ЕNa (рис. 6.1). Они пришли к выводу, что потенциал действия есть результат значительного, хотя и кратковременного, увеличения натриевой проводимости мембраны. Сегодня известно, что это увеличение происходит за счет открытия огромного числа потенциалзависимых натриевых каналов.
Чем объясняется фаза спада потенциала действия? Можно предположить, что спад происходит просто в результате закрытия натриевых каналов. Это, действительно, один из факторов. Однако, если бы это был единственный механизм, то возврат мембранного потенциала к уровню потенциала покоя в большинстве клеток происходил бы гораздо