Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Мембранный потенциал покоя

У всех живых клеток в покое плазматическая мембрана электрически поляризована, т.е. имеет разный электрический потенциал наружной и внутренней поверхностей. Это легко доказывается введением микроэлектрода, соединенного с усилителем и регистратором (осциллографом) внутрь клетки. Как только микроэлектрод проникает внутрь клетки, на экране осциллографа наблюдается скачок потенциала – от 0 до -70-80 мВ (по отношению к наружному электроду, расположенному в окружающей клетку жидкости). Эту величину называют мембранным потенциалом покоя или просто потенциалом покоя (ПП).

Происхождение потенциала покоя.
Впервые В.Ю.Чаговец (1896 г) высказал предположение об ионном механизме биопотенциалов в живых клетках и применил для их объяснения теорию электролитической диссоциации Аррениуса. Ю.Бернштейн (1902 г) развил мембранно-ионную теорию происхождения биопотенциалов, которую затем модифицировали и экспериментально доказали Ходжкин, Хаксли и Катц (1949-1952 гг). В настоящее время эта теория пользуется всеобщим признанием. Согласно ей в происхождении потенциала покоя играют принципиальную роль 2 фактора:
1) избирательная проницаемость цитоплазматической мембраны;
2) ионная асимметрия между внутри- и внеклеточным пространствами.
В покое мембрана проницаема для ионов К⁺ и Cl^-, мало проницаема для ионов Na⁺ и непроницаема для других анионов.
Внутри клетки ионов К⁺ содержится в 30-50 раз больше, чем снаружи; ионов Na⁺ снаружи больше примерно в 10 раз, чем внутри; ионов Cl^- снаружи также больше примерно в 15 раз, чем внутри. Создаёт и поддерживает трансмембранный градиент концентраций Na⁺ и К⁺ особое молекулярное устройство, называемое натрий-калиевым насосом. Снаружи и внутри мембраны находится водная среда.
Таким образом, в формировании ПП участвуют следующие процессы:
1) активное движение ионов (с затратой энергии) против концентрационных градиентов с помощью натрий-калиевого насоса;
2) пассивная (без затраты энергии) диффузия ионов К⁺ по концентрационному (химическому) градиенту наружу клетки;
3) пассивная диффузия ионов по электрическому градиенту.
Все эти процессы тесно связаны между собой, а их разделение имеет определённую условность.
Ионы К⁺ вследствие их большой концентрации внутри клетки и большой проницаемости мембраны для них будут диффундировать под влиянием диффузионного давления из клетки на наружную поверхность мембраны. Ионы Cl^- и Na⁺ диффундируют внутрь клетки. Проницаемость мембраны для К⁺, Na⁺ и Cl^- в покое соответственно составляет 1:0,04:0,45. Внутри клетки, кроме ионов Cl^-, находятся анионы различных органических кислот (глутаминовой, аспарагиновой и т.д.). Благодаря силам взаимного притяжения заряды удерживаются на наружной и внутренней поверхностях мембраны, поляризуя её, т.е. образуя два полюса: снаружи – положительный, внутри – отрицательный.
Диффузия ионов идёт постоянно, но она ограничивается силами электростатического взаимодействия. По мере выхода ионови калия из клетки сила диффузионного давления становится равной силе электростатического притяжения. В результате этого возникает состояние, когда число ионов калия, выходящих из клетки по химическому градиенту, равно числу ионов калия, входящих в клетку по электрическому градиенту. Трансмембранный потенциал, который устанавливается при этом, называется диффузионнным равновесным потенциалом для данного иона и обозначается буквой «Е», Равновесный потенциал для любого иона может быть рассчитан по формуле Нернста:

где Е - потенциал;
R - универсальная газовая постоянная, т.е кинетическая энергия 1 моля ионов при абсолютной температуре, равной 1о по Кельвину;
Т - абсолютная температура; n - валентность иона;
F - число Фарадея (заряд 1 моля одновалентных ионов);
C_нар. - концентрация ионов снаружи мембраны;
С_вн. - концентрация ионов внутри клетки.

Установлено, что равновесие для ионов К⁺ в мышечном волокне теплокровных животных устанавливается при соотношении:

,при этом Е _К⁺ = -95 мВ;

для ионов Cl^- при:
, при этом Е _Cl^- = -90 мВ.

Измерения в опыте потенциала покоя поперечно-полосатого мышечного волокна показало, что он равен -90 мВ, т.е. близок к Е _К⁺.
В аксоне кальмара он равен -70 мВ (а по формуле Нернста Е _К⁺ = -75 мВ, т.е. тоже близок к измеренному в опыте).
Если рассчитать по формуле Нернста потенциал в аксоне кальмара для Cl^-, то он будет равен -90 мВ, т.е. он далёк от фактического потенциала, измеренного в опыте. Проницаемость мембраны для Cl^- в нервных волокнах мала, и поэтому Cl^- не играет существенной роли в генезе потенциала покоя. В скелетных мышечных волокнах проницаемость для Cl^- сравнима с калиевой, и поэтому диффузия Cl^- внутрь клетки увеличивает потенциал покоя. Аналогичная картина наблюдается для большинства клеток. Поэтому можно сделать заключение, что потенциал покоя обязан своим происхождением ионам К⁺, т.е. это калиевый равновесный потенциал.
Незначительное расхождение между величинами потенциала покоя, измеренными в опыте и рассчитанными по формуле Нернста, состоит в том, что в покое мембрана в небольшой степени проницаема для ионов Na⁺, и эти ионы, входящие внутрь клетки, уменьшают фактическое значение потенциала покоя. Поскольку мембрана тонкая потенциал покоя создаёт сильное электрическое поле напряженностью порядка 10 кВ/см.
Экспериментальное доказательство правильности такой точки зрения привели Ходжкин и Хаксли: они заменили аксоплазму в гигантском аксоне кальмара (диаметр 0,5-1,0 мм) на раствор КСl аналогичной концентрации, и в аксоне регистрировался потенциал покоя примерно такой же величины, как и в нативном нервном волокне.
Функцией мембранного потенциала покоя является действие электрического поля на макромолекулы мембраны, при этом заряженные группы этих молекул получают определенную пространственную ориентацию, и таким образом, например, обеспечивается закрытое состояние активационных ворот натриевых каналов и открытое состояние их инактивационных ворот. Этим самым обеспечивается состояние покоя и готовность к возбуждению. При дальнейшем местном возбуждении будет использоваться эта энергия, накопленная в потенциале покоя.

Механизм активного транспорта ионов: натрий-калиевый насос.

В живой клетке имеется два типа движения ионов через мембрану. Один из них осуществляется по градиенту концентрации ионов и не требует затраты энергии, поэтому его называют пассивным ионным транспортом. Он ответственен за возникновение потенциала покоя и потенциала действия и, если бы в клеточной мембране не существовало особого молекулярного устройства – натрий-калиевого насоса, то в конечном итоге концентрация ионов по обе стороны мембраны выровнялись.
Второй тип движения ионов через мембрану осуществляется против концентрационного градиента и состоит в «выкачивании» ионов натрия из цитоплазмы и «нагнетании» ионов калия внутрь клетки. Его называют активным ионным транспортом. Он ответственен за поддержание постоянства разности концентраций ионов между цитоплазмой и межтканевой жидкостью. Этот активный транспорт – результат работы натрий-калиевого насоса. Этот тип ионного транспорта возможен только при условии затраты энергии клеточного обмена веществ. Непосредственным источником энергии для этой работы является АТФ. Расщепление АТФ производится ферментом Na⁺-К⁺-АТФ-азой, локализованной в поверхностной мембране клетки. При расщеплении одной молекулы АТФ насос выводит из клетки три иона натрия взамен вводимых внутрь двух ионов калия. Это говорит об электрогенности насоса: он создаёт на мембране разность потенциалов, суммирующуюся с потенциалом покоя.
Если отношение между ионами было бы 2:2, то насос был бы электронейтрален. Вклад насоса в величину потенциала покоя у различных клеток разный: он существенен (до 25% от полной величины ПП) в гладких мышцах, в гигантских нейронах моллюсков, но незначителен в нервных волокнах кальмара.
Нарушают работу насоса следующие факторы:
1) нарушение кровоснабжения тканей, что приводит к ослаблению процесса синтеза АТФ;
2) торможение активности АТФ-азы (сердечные гликозиды).
При угнетении работы натрий-калиевого насоса калий накапливается снаружи клетки и вызывает деполяризацию мембраны. При продолжающейся блокаде насоса трансмембранная разность концентраций калия уменьшается в значительной степени, что приводит к прекращению генерации потенциала действия.
Таким образом, в формировании ПП натрий-калиевый насос имеет следующее значение:
1) поддерживает трансмембранный градиент концентраций Na⁺ и К⁺;
2) создаёт разность потенциалов, суммирующуюся с потенциалом, обусловленным диффузией калия по концентрационному градиенту.