3.3. Мембранный потенциал покоя

3.3.1. Общая характеристика и непосредственная причина формирования

Потенциал покоя (1111) - разность электрических потенциалов между наружной и внутренней сторонами клеточной мембраны. Его

величина в нервных клетках составляет 60-80 мВ. При регистрации ПП луч осциллографа во время прокола мембраны клетки микро­электродом скачком отклоняется и показывает отрицательный за­ряд внутри клетки (рис. 3.1).

ПП играет исключительно важную роль в жизнедеятельности самого нейрона и организма в целом.В частности, он составляет основу для переработки информации в нервной клетке, обеспечи­вает регуляцию деятельности внутренних органов и опорно-двигательного аппарата посредством запуска процессов возбуж­дения и сокращения в мышце. Согласно мембранно-ионной тео­рии (Бернштейн, Ходжкин, Хаксли, Катц), непосредственной при­чиной формирования ПП является неодинаковая концентрация анионов и катионов внутри и вне клетки (табл. 3.1).

В нейронах концентрация ионов К⁺ внутри клетки в 20-40 раз больше, чем вне клетки; концентрация ионов Na⁺ вне клетки в 10-12 раз больше, чем в клетке. Ионов СГ вне клетки в 10-20 раз больше, чем внутри клетки. В клетке имеется небольшое количество ионов Mg²⁺. Ион Са²⁺ в клетке находится в основном в свя­занном состоянии с АТФ, цит­ратом, глутаматом. Резервуа­ром для ионов Са²⁺ является эндоплазматический ретику-лум. В свободном состоянии кальций находится в основном вне клетки; в гиалоплазме его

очень мало. Это обусловлено отчасти активным транспортом ио­нов Са²⁺ наружу через клеточную мембрану, отчасти поглощени­ем его эндоплазматическим ретикулумом и другими органеллами, например митохондриями. В клетке находятся также крупномоле­кулярные анионы, главным образом это отрицательно заряжен­ные белковые молекулы, например глутамат, аспартат, а также органические фосфаты. Различные ионы распределены неравно­мерно по обе стороны клеточной мембраны, во-первых, вследст­вие неодинаковой проницаемости клеточной мембраны для раз­личных ионов, во-вторых, в результате работы ионных насосов, транспортирующих ионы в клетку и из клетки вопреки концен­трационному и электрическому градиентам. По поводу определе­ния «проницаемость» и «проводимость» единого мнения пока не сложилось.

3.3.2. Роль проницаемости клеточной мембраны и ее поверхностных зарядов

А. Терминология. В настоящее время различные авторы по-разному трактуют термины «проницаемость» и «проводимость». Под проницаемостью клеточной мембраны мы понимаем ее спо­собность пропускать воду и частицы - заряженные (ионы) и неза­ряженные согласно законам диффузии и фильтрации. Проницае­мость клеточной мембраны определяется следующими факторами: 1) наличием в составе мембраны различных ионных каналов -управляемых (с воротным механизмом) и неуправляемых (каналы утечки); 2) размерами каналов и размерами частиц; 3) растворимо­стью частиц в мембране (клеточная мембрана проницаема для рас­творимых в ней липидов и непроницаема для пептидов).

Термин «проводимость» следует использовать только приме­нительно к заряженным частицам. Следовательно, под проводи­мостью мы понимаем способность заряженных частиц (ионов) проходить через • клеточную мембрану согласно электрохимиче­скому градиенту (совокупность электрического и концентрацион­ного градиентов).

Как известно, ионы, подобно незаряженным частицам, перехо­дят через мембрану из области с высокой концентрацией в об­ласть с низкой концентрацией. При большом градиенте концен­трации и хорошей проницаемости мембраны, разделяющей соот­ветствующие растворы, проводимость ионов может быть высо­кая, при этом наблюдается односторонний ток ионов. Когда кон­центрация ионов по обе стороны мембраны уравняется, проводи­мость ионов уменьшится, односторонний ток ионов прекратится, хотя проницаемость сохранится прежней - высокой. Кроме того, проводимость иона при неизменной проницаемости мембраны зависит и от заряда иона: одноименные заряды отталкиваются, разноименные притягиваются, т.е. важную роль в проводимости иона играет его электрический заряд. Возможна ситуация, когда при хорошей проницаемости мембраны проводимость ионов че­рез мембрану оказывается низкой или нулевой, - в случае отсут­ствия движущей силы (концентрационного и /или электрического градиентов).

Таким образом, проводимость иона зависит от его электрохи­мического градиента и от проницаемости мембраны: чем они больше, тем лучше проводимость иона через мембрану. Перемеще­ния ионов в клетку и из клетки согласно концентрационному и электрическому градиентам в состоянии покоя клетки осуществля­ются преимущественно через неуправляемые (без воротного меха­низма) каналы (каналы утечки). Неуправляемые каналы всегда от­крыты, они практически не меняют своей пропускной способности при электрическом воздействии на клеточную мембрану и ее воз­буждении. Неуправляемые каналы подразделяются на ионоселек-тивные каналы (например, калиевые медленные неуправляемые каналы) и иононеселективные каналы. Последние пропускают различные ионы: К⁺, Na⁺, С1^_.

Б. Роль проницаемости клеточной мембраны и различных ионов в формировании 1111 (рис. 3.2.). Сосуд разделен полупроницаемой мем­браной. Обе его половины заполнены раствором K2SO4 различной концентрации (О и С2), причем Ci < С2. Мембрана проницаема для иона К⁺ и непроницаема для S04²". Ионы К⁺ перемещаются согласно

концентрационному градиенту из рас­твора Сг в раствор Ci. Поскольку ионы SO4 ~ не могут пройти в раствор С], где их концентрация тоже ниже, мембрана поляризуется и между двумя ее по­верхностями возникает разность элек­трических потенциалов, соответст­вующая равновесному калиевому по­тенциалу (Ек).

Ионы Na⁺ и К⁺ в живой клетке, на­ходящейся в состоянии покоя, также перемещаются через мембрану соглас­но законам диффузии, при этом К⁺ из клетки выходит в значительно боль­шем количестве, чем входит Na⁺ в клетку, поскольку проницаемость кле­точной мембраны для К⁺ примерно в 25 раз больше проницаемости для Na⁺.

Органические анионы из-за своих больших размеров не могут выхо­дить из клетки, поэтому внутри клет­ки в состоянии покоя отрицательных ионов оказывается больше, чем по-

ложительных. По этой причине клетка изнутри имеет отрица­тельный заряд. Интересно, что во всех точках клетки отрицатель­ный заряд практически одинаков. Об этом свидетельствует оди­наковая величина ПП при введении микроэлектрода на разную глубину внутрь клетки, как это имело место в опытах Ходжкина, Хаксли и Катца. Заряд внутри клетки является отрицательным как абсолютно (в гиалоплазме клетки содержится больше анио­нов, чем катионов), так и относительно наружной поверхности клеточной мембраны.

Калий является главным ионом, обеспечивающим формирова­ние ПП. Об этом свидетельствуют результаты опыта с перфузией внутреннего содержимого гигантского аксона кальмара солевыми растворами. При уменьшении концентрации ионов К⁺ в перфуза-те ПП снижается, при увеличении их концентрации ПП повыша­ется. В состоянии покоя клетки устанавливается динамическое равновесие между числом выходящих из клетки и входящих в клетку ионов К⁺. Электрический и концентрационный градиенты противодействуют друг другу: согласно концентрационному гра­диенту К⁺ стремится выйти из клетки, отрицательный заряд внут­ри клетки и положительный заряд наружной поверхности клеточ­ной мембраны препятствуют этому. Когда концентрационный и электрический градиенты уравновесятся, число выходящих из клетки ионов К⁺ сравнивается с числом входящих ионов К⁺ в клетку. В этом случае на клеточной мембране устанавливается так называемый равновесный потенциал.

Равновесный потенциал для иона можно рассчитать по формуле Нернста. Концентрация положительно заряженного иона, находя­щегося снаружи, в формуле Нернста записывается в числителе, а иона, находящегося внутри клетки, - в знаменателе. Для отрица­тельно заряженных ионов расположение противоположное.

Е _ЛГ._1пМ,

~~ ZF [ion\ '

где Е-_тп - потенциал, создаваемый данным ионом; R - газовая по­стоянная (8,31 Дм); Т - абсолютная температура (273+37°С); Z -валентность иона; F - постоянная Фарадея (9,65 х 10⁴); [гол],- - кон­центрация иона внутри клетки inside; [ion]₀ - концентрация иона во внешней среде клетки outside. Равновесный потенциал иона Na⁺ у нервных клеток Еы_я - +55 мВ, иона калия Ек - -70 мВ.

Вклад Na⁺ и С1~ в создание ПП. Проницаемость клеточной мем­браны в покое для иона Na⁺ очень низкая, намного ниже, чем для иона К⁺, тем не менее она имеется, поэтому ионы Na⁺ согласно концентрационному и электрическому градиентам стремятся и в небольшом количестве проходят внутрь клетки. Это ведет к умень­шению ПП, так как на внешней поверхности клеточной мембраны суммарное число положительно заряженных ионов уменьшается, хотя и незначительно, а часть отрицательных ионов внутри клетки нейтрализуется входящими в клетку положительно заряженными ионами Na⁺. Вход иона Na⁺ внутрь клетки снижает ПП. Влияние СГ на величину ПП противоположно и зависит от проницаемости кле­точной мембраны для ионов СГ. Дело в том, что ион СГ, согласно концентрационному градиенту, стремится и проходит в клетку. Препятствует входу иона СГ в клетку электрический градиент, по­скольку заряд внутри клетки отрицательный, как и заряд СГ. На­ступает равновесие сил концентрационного градиента, способст­вующего входу иона СГ в клетку, и электрического градиента, пре­пятствующего входу иона СГ в клетку. Поэтому внутриклеточная концентрация ионов СГ значительно меньше внеклеточной. При поступлении иона СГ внутрь клетки число отрицательных зарядов вне клетки несколько уменьшается, а внутри клетки увеличивается: ион СГ добавляется к крупным, белковой природы анионам, нахо­дящимся внутри клетки. Эти анионы из-за своих больших размеров не могут пройти через каналы клеточной мембраны наружу клетки - в интерстиций. Таким образом, ион СГ, проникая внутрь клетки, увеличивает ПП. Частично, как и вне клетки, ионы Na⁺ и С1~ внутри клетки нейтрализуют друг друга. Вследствие этого со­вместное поступление ионов Na⁺ и С1~ внутрь клетки не сказывается существенно на величине ПП.

В. Определенную роль в формировании ПП играют поверх­ностные заряды самой клеточной мембраны и ионы Са²⁺. На­ружная и внутренняя поверхности клеточной мембраны несут собственные электрические заряды, преимущественно с отрица­тельным знаком. Это полярные молекулы клеточной мембра­ны: гликолипиды, фосфолипиды, гликопротеиды. Фиксиро­ванные наружные отрицательные заряды, нейтрализуя поло­жительные заряды внешней поверхности мембраны, снижают ПП. Фиксированные внутренние отрицательные заряды кле­точной мембраны, напротив, суммируясь с анионами внутри клетки, увеличивают ПП.

Роль ионов Са²⁺ в формировании ПП заключается в том, что они взаимодействуют с наружными отрицательными фиксиро­ванными зарядами мембраны клетки и нейтрализуют их, что ве­дет к увеличению и стабилизации ПП.

Таким образом, ПП - это алгебраическая сумма не только всех зарядов ионов вне и внутри клетки, но также алгебраическая сумма отрицательных внешних и внутренних поверхностных за­рядов самой мембраны.

При проведении измерений потенциал окружающей клетку среды принимают равным нулю. Относительно нулевого потен­циала внешней среды потенциал внутренней среды нейрона, как отмечалось, составляет величину порядка —60—80 мВ. Поврежде­ние клетки приводит к повышению проницаемости клеточных мембран, в результате чего различие проницаемости для ионов К⁺ и Na⁺ уменьшается, ПП при этом снижается. Подобные из­менения встречаются при ишемии ткани. У сильно поврежден­ных клеток ПП может снизиться до уровня донанновского рав­новесия, когда концентрация внутри и вне клетки будет опреде­ляться только избирательной проницаемостью клеточной мембраны в состоянии покоя клетки, что может привести к на­рушению электрической активности нейронов. Однако и в нор­ме происходит перемещение ионов согласно электрохимическо­му градиенту, однако ПП не нарушается.