1.2.Потенциал покоя

 

Потенциалом покоя (ПП) называют трансмембранную разность потенциалов, существующую между цитоплазмой и окружающим клетку наружным раствором в состоянии покоя. При этом внутренний потенциал отрицателен по отношению к наружному, условно принимаемому за нуль.

Для измерения ПП, а также другой электрической активности возбудимой клетки применяют технику внутриклеточных микроэлектродов. Микроэлектрод представляет собой тонкий капилляр, вытянутый из стеклянной трубки, диаметр кончика которого составляет 0,5 мкм. В микротрубочку погружают хлорированную серебряную проволоку, служащую электродом, и заполняют солевым раствором (обычно 3М KC1) для обеспечения электрической проводимости. Микроэлектрод соединяют с электроизмерительным прибором – осциллографом, снабженным усилителем постоянного тока (рис. 1.1).

 

Рис. 1.1. Регистрация мембранного потенциала покоя возбудимой клетки и схема опыта его регистрации: 1 - клетка; 2 - микроэлектрод; 3 - регистратор

 

Пока кончик микроэлектрода находится в межклеточной среде, стрелка электроизмерительного прибора стоит на нуле. В момент прокола покоящейся мембраны клетки микроэлектродом луч осциллографа скачком отклоняется вниз до уровня ПП.

Величина ПП у разных клеток варьирует от 50 до 90 мВ. Ниже приведены значения ПП для некоторых возбудимых образований:

– гигантский аксон кальмара – 70 мВ;

– гигантский аксон каракатицы – 60 мВ;

– мышечное волокно лягушки – 88 мВ;

– моторный нейрон кошки – 70 мВ.

 

1.2.1. Природа потенциала покоя

 

В 1896 г. В.Ю. Чаговец впервые высказал гипотезу об ионном механизме электрических потенциалов в живых клетках и сделал попытку объяснить их с позиции теории электролитической диссоциации С. Аррениуса. В 1902 г. Ю. Бернштейном была разработана мембранно-ионная теория, согласно которой потенциал покоя нервных и мышечных волокон определяется избирательной проницаемостью мембраны для ионов калия и их диффузией по концентрационному градиенту.

В 1949–1952 гг. мембранно-ионную теорию модифицировали и экспериментально обосновали А. Ходжкин, А. Хаксли и др. Исследователям удалось найти замечательный объект – гигантский аксон кальмара диаметром 1 мм, иннервирующий мышцы мантии. В такой аксон можно было легко вводить микроэлектрод, заменять внутреннее содержимое волокна искусственными растворами.

Опыты на гигантских аксонах кальмара показали, что концентрационный градиент K⁺, действительно, является основным фактором, определяющим величину потенциала покоя нервного волокна. Когда аксоплазму заменяли раствором K⁺, близким по концентрации внутриклеточной, то на мембране устанавливалась разность потенциалов, близкая к значению нормального потенциала покоя (–50…–80 мВ), и волокно проводило импульсы. При уменьшении внутриклеточной концентрации K⁺ потенциал покоя по абсолютной величине уменьшался, при увеличении концентрации K⁺ – увеличивался.  

На основании проведенных опытов была сформулирована современная мембранная теория, суть которой сводится к следующим основным положениям:  

-         мембрана клетки любого возбудимого образования в покое поляризована. При этом ее внутренняя поверхность заряжена отрицательно, а наружная – положительно;  

-         наличие электрических потенциалов в животных клетках обусловлено неравенством концентраций ионов Na⁺, K⁺, C1^–, Ca⁺⁺ внутри и вне клетки, а также их различной проницаемостью через мембрану;

-         в состоянии покоя внутри нервных и мышечных клеток концентрация K⁺ в 30–40 раз выше, чем в наружном растворе. Концентрация Na⁺ вне клетки в 10–12 раз больше, чем внутри. Вне клетки больше также и ионов C1^–. Создание такого ионного баланса осуществляется особыми транспортными белками – насосами, обеспечивающими перенос ионов с затратой энергии вопреки концентрационному градиенту;

-         в покое мембрана нервных клеток наиболее проницаема для ионов K⁺, менее – для C1^– и очень мало проницаема для ионов Na⁺ (в 100 раз меньше, чем для K⁺). Перемещение этих ионов в клетку и из клетки осуществляется преимущественно через неспецифические каналы ионной утечки;

-         для многих анионов органических кислот, присутствующих в цитоплазме, мембрана в покое непроницаема;

-         благодаря преимущественной проницаемости мембраны для ионов К⁺ в состоянии покоя, происходит их перемещение по концентрационному градиенту из клетки наружу; с выходом ионов К⁺ из клетки в цитоплазме накапливается отрицательный электрический заряд;  

-         в силу возникающего мембранного потенциала ионы K⁺ по электрическому градиенту частично возвращаются обратно в клетку. Когда число выходящих из клетки ионов K⁺ становится равным числу входящих в клетку, то на мембране устанавливается так называемый равновесный калиевый потенциал, обозначаемый Ек (равновесный потенциал для любого иона можно рассчитать по формуле В. Нернста):

 

 (при температуре = 20 ⁰С), .

Мембранный потенциал покоя, определяемый для гигантского аксона кальмара, в эксперименте равен –70 мВ, т. е. менее отрицательный, чем рассчитанный по формуле Нернста калиевый равновесный потенциал (Ек = –90 мВ). Это несоответствие связано с диффузией ионов Na⁺ и C1^– через поверхностную мембрану по концентрационному градиенту.

,

где Еion – потенциал, создаваемый данным ионом; R - газовая постоянная (8,31 Дж/моль K); T – абсолютная температура (273 +37 °C); Z – валентность иона; F – число Фарадея (9,65•10⁴ Кл/моль); [ion] o – концентрация иона во внешней среде клетки (outside); [ion] i – концентрация иона внутри клетки (inside).

Концентрация положительно заряженных ионов, находящихся снаружи, располагается в числителе формулы Нернста; концентрация ионов, находящихся внутри клетки, – в знаменателе. Для отрицательно заряженных ионов расположение противоположное.

Равновесный натриевый потенциал (Е_Nа) гигантского аксона кальмара при соотношении Nai/Nao = 69/425 мМ составляет +46 мВ. Поэтому диффузия положительно заряженных ионов натрия внутрь клетки уменьшает абсолютную величину внутреннего отрицательного потенциала, создаваемого диффузией K⁺.

Влияние C1^– на величину ПП противоположно влиянию Na⁺. В нервных волокнах проницаемость ионов C1^– покоящейся мембраны относительно мала, и они не играют существенной роли в генезе ПП. В скелетных мышечных волокнах проницаемость для ионов C1^– сопоставима с калиевой проницаемостью, и поэтому диффузия C1^– увеличивает абсолютную величину потенциала покоя. Рассчитанный по формуле Нернста хлорный равновесный потенциал мышечного волокна лягушки при соотношении концентрации ионов C1_i/ C1₀, равном 1/64 мМ, составляет –105 мВ (табл. 1).

 

Таблица 1. Содержание ионов K⁺, Na⁺, C1^–, равновесные потенциалы, потенциалы покоя и действия некоторых клеток

 

Клетки	Отношение концентраций внутренней (i) и внешней (о) среды, мМ			Равновесный потенциал для разных ионов, мВ			Измеренные потенциалы, мВ
				К+	Na+	Сl-	покоя	на максимуме спайка
Гигантский аксон каракатицы				–88	+57	–42	–60	+50
Аксон кальмара				–90	+46	–29	–60	+35
Мышечное волокно лягушки				–98	+49	–105	–88	+34
Моторный нейрон кошки				–90	+60	–70	–70	+30

  

В связи с имеющей место хлорной и натриевой проницаемостью Гольдманом–Ходжкиным–Катцом предложено уравнение для расчета мембранного потенциала покоя (Ем):

,

где величины Р_K; P_Nа; P_C1 - проницаемость мембраны для соответствующих ионов.

Было рассчитано, что при Eм = –50 мВ в изолированном гигантском аксоне кальмара имеет место следующее соотношение между ионными проницаемостями мембраны в покое: Р_K : Р_Nа : Р_C1 = 1: 0,04: 0,45.

Таким образом, потенциал покоя – это производное равновесных потенциалов всех ионов, находящихся внутри и вне клетки, величина которого определяется деятельностью Na⁺-, К⁺-насоса, а также следующими основными факторами:

1) соотношением концентраций катионов и анионов, проникающих через мембрану в состоянии покоя;

2) соотношением проницаемостей мембраны для этих ионов.

 

1.2.2. Роль ионных насосов в формировании потенциала покоя

 

В результате постоянной диффузии Na⁺ и K⁺ через поверхностную мембрану их концентрации внутри и вне клетки, несмотря на малые потоки ионов, должны были бы в конечном итоге уравняться. Однако этого не происходит, поскольку на мембране работает активный механизм поддержания градиентов концентрации Na⁺ и K⁺ внутри и вне клетки. Поддержание трансмембранного градиента концентраций Na⁺ и K⁺ является важным условием для формирования ПП.

Ионный насос, в частности натрий-калиевый, обладающий АТФазной активностью, обеспечивает выведение из клетки Na⁺ и введение в клетку K⁺ против их концентрационных градиентов. Натриевый насос – крупный белок (около 1000 аминокислот), встроенный в мембрану и имеющий на внутренней поверхности места связывания для Na⁺ и АТФ, а на наружной поверхности – для K⁺.

Накопление Na⁺ в клетке стимулирует работу натрий-калиевого насоса, уменьшение Na⁺ в клетке снижает его активность, поскольку снижает вероятность контакта ионов с соответствующим переносчиком. Источником энергии для работы насосов является АТФ. Известно, что натрий-калиевый насос потребляет 1/3 расходуемой энергии в организме. За одну секунду один Na⁺, К⁺-насос переносит 150–600 ионов.

Натрий-калиевый насос вносит вклад в величину ПП. Связано это с тем, что на каждые три иона Na⁺, выводимые насосом за один цикл работы из клетки, внутрь клетки нагнетается только два иона К⁺. Такой асимметричный перенос ионов Na⁺-, К⁺-насосом поддерживает избыток положительно заряженных частиц на наружной поверхности клеточной мембраны и отрицательных зарядов внутри, что позволяет считать насос электрогенной структурой. Натрий-калиевый насос дополнительно увеличивает ПП примерно на 5–10 мВ и создает разность потенциалов, суммирующуюся с потенциалом покоя.

Вклад натриевого насоса в величину потенциала покоя у различных клеток неодинаков. В нервных волокнах кальмара он незначителен, а в гигантских нейронах моллюсков, гладких мышцах составляет около 25 % от полной величины потенциала покоя.

Рис. 1.2. Схема Na⁺-, К⁺-насоса: ® - выход из клетки ионов Na⁺ и перенос в клетку ионов К⁺

 

Нарушение работы насоса при патологии и в эксперименте, при действии некоторых химических соединений, например сердечного гликозида – уабаина, а также ингибиторов дыхательных ферментов – цианидов, сопровождается потерей клеткой ионов калия и обогащением ее ионами натрия.

Специфическим блокатором деятельности натрий-калиевого насоса является токсин растительного происхождения строфантин, присоединяющийся к месту связывания К⁺ (рис. 1.2).