3. Мембранный потенциал покоя

Нервные клетки, подобно другим клеткам организма, ограничены липопротеиновой мембраной, которая является хорошим электрическим изолятором. По обе стороны мембраны между содержимым клетки (цитоплазмой) и внеклеточной жидкостью существует электрическая разность потенциалов – мембранный потенциал. В нервных клетках изменения мембранного потенциала составляет основу деятельности клетки – переработки информации. На рис.1 представлено распределение ионов по обе стороны мембраны.

Внутриклеточная среда

Внеклеточная среда

155К+

4К+

12Na+

145Na+

4 Cl¯

120 Cl¯

155 A¯

Мембрана

Рис.1 Внутри- и внеклеточные концентрации ионов для клетки теплокровного животного, ммоль/л.

В нервных и мышечных клетках мембранный потенциал долго сохраняется постоянным, если клетка не активизируется какими-либо внешними факторами. Мембранный потенциал такой покоящейся клетки называется мембранным потенциалом покоя (МПП). Потенциал покоя нервной и мышечной клетки всегда отрицателен, его величина постоянна для каждого типа клеток и колеблется в диапазоне от –50 до –100мВ.

Неравномерное распределение различных ионов между вне- и внутриклеточным пространством необходимо для существования потенциала покоя. Этот потенциал между внутриклеточной средой и межклеточной жидкостью возникает потому, что мембрана не является совершенным изолятором, а до некоторой степени проницаема для определенных ионов. Наиболее проницаема мембрана для ионов калия, несколько меньше для ионов хлора и еще менее проницаема для ионов натрия. В качестве примера, объясняющего механизмы трансмембранного движения ионов рассмотрим ток ионов калия. Можно представить, что мембрану пронизывают поры – каналы, через которые способны проходить ионы калия. Всякий раз, когда эти ионы наталкиваются на отверстие поры, они диффундируют через мембрану. Поскольку с внутренней стороны мембраны ионов калия намного больше, то такие столкновения будет происходить здесь гораздо чаще, чем снаружи, так что больше ионов будет проходить изнутри наружу, чем в обратном направлении. Наблюдается чистый выход ионов калия из клетки. При этом имеется сила, противодействующая этому процессу. Эта сила обусловлена электрическим зарядом ионов калия. По мере выхода калия из клетки уменьшается число положительно заряженных ионов на внутренней стороне мембраны. Одновременно увеличивается положительный заряд с внешней стороны мембраны. Возникающий при этом мембранный потенциал препятствует выходу катионов из клетки. Таким образом, выход положительных зарядов создаёт электрический потенциал, который мешает выходу других положительных ионов. Мембранный потенциал продолжает нарастать до тех пор, пока сила, препятствующая выходу калия, не станет равна осмотическому давлению калия. При таком уровне потенциала вход и выход калия находятся в равновесии, потому он называется калиевым равновесным потенциалом (). Величина калиевого равновесного потенциала может быть вычислена с помощью уравнения Нернста (ф.1).

=(ф.1),

где R–газовая постоянаая,T– абсолютная температура,Z– валентность иона иF– постоянная Фарадея. Для калия эта величина составляет –97мВ.