Биоэлектрические потенциалы. Потенциал покоя

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 калиевый потенциал.

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

[ion},,

ZF

. '

[ion},'

где Е_юп — потенциал, создаваемый данным ионом; R — газовая постоянная (8,31 Дм); Т — абсолютная температура (273+37 °С); Z — валентность иона; F — постоянная Фа-радея (9,65-10⁴); [ion], — концентрация иона внутри клетки inside; [ion]₀ — концентрация иона во внешней среде клетки (outside).

При температуре 37 °С равновесный потенциал для К⁺ с учетом соотношения концентрации его снаружи и изнутри (1/39) и валентности 1 равен —97 мВ. Однако реальный ПП миоцита теплокровного животного несколько меньше — около —90 мВ. Это объясняется тем, что в создании потенциала ПП принимают участие и другие ионы, хотя их роль менее значительна в сравнении с ролью иона К⁺. Равновесный потенциал для Na⁺ равен +55 мВ. В целом ПП — это производное равновесных потенциалов всех ионов, находящихся внутри и вне клетки и поверхностных зарядов клеточной мембраны.

Вклад Na⁺ и СГ в создание ПП. Проницаемость клеточной мембраны в покое для Na⁺ очень низкая — намного ниже, чем для К⁺, тем не менее она имеет место, 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 Na⁺ внутрь клетки уменьшает ПП. Что касается СГ, его влияние на величину ПП противоположно влиянию Na⁺ и зависит от проницаемости клеточной мембраны для СГ (она в 2 раза ниже, чем для К⁺). Дело в том, что СГ, согласно концентрационному градиенту, стре-

мится и проходит в клетку. Концентрации ионов К⁺ и СГ близки между собой. Но СГ находится в основном вне клетки, а К⁺ — внутри клетки. Препятствует входу СГ в клетку электрический градиент, поскольку заряд внутри клетки отрицательный, как и заряд СГ. Наступает равновесие сил концентрационного градиента, способствующего входу СГ в клетку, и электрического градиента, препятствующего входу СГ в клетку. Поэтому внутриклеточная концентрация СГ равна всего лишь 5—10 ммоль/л, а вне клетки — 120—130 ммоль/л. При поступлении СГ внутрь клетки число отрицательных зарядов вне клетки несколько уменьшается, а внутри клетки увеличивается: 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, СГ, проникая внутрь клетки, увеличивает ПП. Частично, как и вне клетки, Na⁺ и СГ внутри клетки нейтрализуют друг друга. Вследствие этого совместное поступление Na⁺ и СГ внутрь клетки не сказывается существенно на величине ПП.

В. Роль поверхностных  зарядов клеточной  мембраны и ионов  Са* в формировании ПП. Наружная и внутренняя поверхности клеточной мембраны несут собственные электрические заряды, преимущественно с отрицательным знаком. Это полярные молекулы клеточной мембраны — гликолипиды, фос-фолипиды, гликопротеиды. Фиксированные наружные отрицательные заряды, нейтрализуя положительные заряды внешней поверхности мембраны, уменьшают ПП. Фиксированные внутренние отрицательные заряды клеточной мембраны, напротив, суммируясь с анионами внутри клетки, увеличивают ПП. Роль ионов Са⁵⁺ в формировании ПП заключается в том, что они взаимодействуют с наружными отрицательными фиксированными зарядами мембраны клетки и отрицательными карбоксильными группами интерстиция 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. Роль проницаемости клеточной мембраны в происхождении ПП иллюстрируется на модельном опыте.

Сосуд разделен полупроницаемой мембраной. Обе его половины заполнены раствора-

мии ткани, например миокарда. У сильно поврежденных клеток ПП может снизиться до уровня доннановского равновесия, что нарушает электрическую активность клеток органа в целом или его части. Однако и в норме происходит перемещение ионов согласно электрохимическому градиенту.

ми K₂SO₄ различной концентрации (С, и С₂), причем С,< С₂. Мембрана проницаема для К⁺ и непроницаема для SO^~. Ионы К⁺ перемещаются, согласно концентрационному градиенту, из раствора С₂ в раствор С,. Поскольку ионы SC>4~ 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). В растворе С₂ остается больше отрицательных зарядов, в растворе С, становится больше положительных зарядов.

При проведении измерений потенциал окружающей клетку среды принимают за величину, равную нулю. Относительно нулевого потенциала внешней среды потенциал внутренней среды клетки, как отмечалось выше, составляет величину порядка —60—90 мВ. Повреждение клетки приводит к повышению проницаемости клеточных мембран, в результате чего различие проницаемости для К⁺ и Na⁺ уменьшается; ПП при этом снижается.

РОЛЬ  ИОННЫХ НАСОСОВ В ФОРМИРОВАНИИ ПП

В результате непрерывного перемещения различных  ионов через клеточную мембрану их концентрация внутри и вне клетки постепенно должна выравниваться. Однако, несмотря на постоянную диффузию ионов (утечку ионов), ПП клеток остается на одном уровне. Следовательно, кроме собственных ионных механизмов формирования ПП, связанных с различной проницаемостью клеточной мембраны, имеется активный механизм поддержания градиентов концентрации различных ионов внутри и вне клетки. Им являются ионные насосы, в частности Na/K-на-сос (помпа).

Ионный  насос — транспортная система, обеспечивающая перенос иона с непосредственной затратой энергии вопреки концентрационному и электрическому градиентам. Если заблокировать освобождение энергии, например, динитрофенолом, в течение 1 ч выведение Na⁺ из клетки сократится примерно в 100 раз. Как выяснилось, выведение Na⁺ сопряжено с транспортом К⁺, что можно продемонстрировать при удалении К⁺ из наружного раствора. Если К⁺ на наружной стороне мембраны нет, работа насоса блокируется, перенос №⁺из клетки в этом случае падает, составляя примерно 30 % от нормального уровня. Сопряженность транспорта Na⁺ и К⁺ уменьшает расход энергии примерно в 2 раза по сравнению с той, которая потребовалась бы при несопряженном транспорте. В целом траты энергии на активный транспорт веществ огромны: лишь Na/K-насос потребляет '/3 всей энергии, расходуемой организмом в покое. За 1 с один Na/K-насос (одна молекула белка) переносит 150—600 ионов Na⁺. Накопление Na⁺ в клетке стимулирует работу Na/K-насоса, уменьшение Na⁺ в клетке снижает его активность, поскольку снижается вероятность контакта ионов с соответствующим переносчиком. В результате сопряженного транспорта Na⁺ и К⁺ поддерживается постоянная разность концентраций этих ионов внутри и вне клетки. Одна молекула АТФ обеспечивает один цикл работы Na/K-насоса — перенос трех ионов Na⁺ за пределы

клетки  и двух ионов К⁺ внутрь клетки. Асимметричный перенос ионов Na/K-насосом поддерживает избыток положительно заряженных частиц на наружной поверхности клеточной мембраны и отрицательных зарядов внутри клетки, что позволяет считать Na/K-насос структурой электрогенной, дополнительно увеличивающей ПП примерно на 5—10 мВ (в среднем около 10 % у разных возбудимых клеток — у одних больше, у других меньше). Данный факт свидетельствует о том, что решающим фактором в формировании ПП является селективная проницаемость клеточной мембраны для разных ионов. Если уравнять проницаемость клеточной мембраны для всех ионов, то ПП будет составлять только 5—10 мВ — за счет работы М/К-помпы.

Нормальная  величина ПП является необходимым условием возникновения процесса возбуждения клетки, т.е. возникновения и распространения потенциала действия, инициирующего специфическую деятельность клетки.

Природа потенциала покоя. 

Между наружной поверхностью клетки и ее протоплазмой в состоянии покоя  существует разность потенциалов порядка 60—90 мВ, причем поверхность клетки заряжена электроположительно по отношению  к протоплазме. Эту разность потенциалов принято называть потенциалом покоя, или мембранным потенциалом. Точное измерение потенциала покоя возможно только с помощью микроэлектродов, предназначенных для внутриклеточного отведения.

Как только микроэлектрод прокалывает покрывающую клетку мембрану, так сразу луч осциллографа отклоняется вниз от своего исходного положения и устанавливается на новом уровне, обнаруживая тем самым существование скачка потенциала между поверхностью и содержимым клетки.

При удачном  введении микроэлектрода мембрана плотно охватывает его кончик, и клетка сохраняет способность функционировать в течение нескольких часов, не обнаруживая признаков повреждения.

Наличие разности потенциалов между наружной поверхностью клетки и ее содержимым может быть обнаружено и без помощи микроэлектродов. Для этого достаточно нанести поперечный разрез на нерв или мышцу и приложить отводящие электроды таким образом, чтобы один из них касался места разреза, а второй - неповрежденной поверхности. В этом случае электроизмерительный прибор покажет, что между указанными участками ткани протекает ток (ток покоя), причем неповрежденный участок оказывается заряженным электроположительно по отношению к месту разреза. Однако такой способ отведения не позволяет измерять полную разность потенциалов между наружной поверхностью и внутренним содержимым клетки, так как жидкость, омывающая ткань с поверхности и находящаяся в межклеточных щелях, шунтирует (закорачивает) регистрирующую систему. Поэтому измеряемая разность потенциалов между поврежденным и неповрежденным участком ткани не превышает обычно 30—50 мВ. Для объяснения природы потенциала покоя были предложены различные теории. У истоков современного понимания этой проблемы стоит работа В. Ю. Чаговца, который в 1896 г., будучи студентом-медиком, высказал мысль об ионной природе биоэлектрических процессов и сделал попытку применить теорию электролитической диссоциации Аррениуса для объяснения происхождения этих потенциалов. В дальнейшем в 1902 г. Ю. Бернштейном была развита мембранно-ионная теория, которая модифицирована и экспериментально обоснована А. Ходжкином и А. Хаксли (1952) и в настоящее время пользуется широким признанием. Согласно этой теории, биоэлектрические потенциалы обусловлены неодинаковой концентрацией ионов К', N3', СГ внутри и вне клетки и различной проницаемостью для них поверхностной мембраны.

Протоплазма нервных и мышечных клеток содержит в 30-50 раз больше ионов калия, в 8-10 раз меньше ионов натрия и в 50 раз меньше ионов хлора, чем внеклеточная жидкость.

Препятствием  для быстрого выравнивания этой разности концентраций является тончайшая (около 100 А) плазматическая мембрана, покрывающая живые клетки.

Представления о структуре этой мембраны строятся на основании данных,   полученных   методами   электронной   микроскопии,   оптической микроскопии,  дифракции  рентгеновых  лучей  и  химического  анализа. Предполагают, что мембрана состоит из двойного слоя молекул фосфолипидов, покрытого изнутри слоем белковых молекул,  а снаружи слоем молекул сложных углеводов - мукополисахаридов.  

В клеточной  мембране имеются тончайшие канальцы - «поры» диаметром в несколько  ангстрем. Через эти канальцы молекулы воды и других веществ, а также  ионы, имеющие соответствующий размеру  пор диаметр, входят в клетку и выходят из нее.

На структурных  элементах мембраны фиксируются  различные ионы, что придает стенкам  ее пор тот или иной заряд и  тем самым затрудняет или облегчает  прохождение через них ионов. Так, предполагается, что наличие  в мембране диссоциированных фосфатных и карбоксильных групп является причиной того, что мембрана нервных волокон значительно менее проницаема для анионов, чем для катионов. Проницаемость мембраны для различных катионов также неодинакова, и она закономерно изменяется при разных функциональных состояниях ткани. В покое мембрана нервных волокон примерно в 20-100 раз более проницаема для ионов К', чем для ионов N3', а при возбуждении натриевая проницаемость начинает значительно превышать калиевую проницаемость мембраны.