Электрический заряд, подобно массе, является фундаментальным свойством веществ. Существует два типа зарядов, условно обозначенные как положительный и отрицательный.

Каждое вещество имеет электрический заряд, величина которого может быть положительной, отрицательной или быть равной нулю. Например, электроны заряжены отрицательно, а протоны - положительно. Поскольку каждый атом содержит один или более электронов и равное количество протонов, общее число зарядов в макроскопическом объекте - чрезвычайно большое, но в целом такой объект не заряжен или имеет небольшой заряд.

Заряд электрона является по абсолютной величине самым маленьким.

Электрическое поле. Закон Кулона

Каждый заряженный объект образует в окружающем его пространстве электрическое поле. Электрическое поле является видом материи, посредством которой заряженные объекты взаимодействуют друг с другом. Пробный заряд, внесённый в электрическое поле другого заряда "чувствует" присутствие этого поля. Он будет притягиваться к заряду, создающему электрическое поле, или отталкиваться от него.

Закон Кулона определяет электрическую силу F, действующую между двумя точечными зарядами q 1 и q 2 :

k - константа, определяемая выбранными условиями; r - расстояние между зарядами.

Согласно закону Кулона, сила действует в направлении линии, соединяющей два заряда. Величина силы, действующей на заряды, пропорциональна величине каждого из зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Электрическое поле можно представить в виде силовых линий, показывающих направление электрических сил. Эти силы направлены от заряда, когда он положительный, и к заряду, если он отрицательный. Если положительный заряд поместить в электрическое поле, он подвергается действию силы в направлении поля. Отрицательный заряд подвергается силе, направленной противоположно направлению поля.

Характеристики электрического поля

1) Напряжённость электрического поля. Каждый электрический заряд производит вокруг себя электрическое поле. Если другой заряд q внести в это поле, то на него будет действовать сила F, пропорциональная q и напряжённости электрического поля E:

Напряжённость электрического поля E (или просто напряжённость) в любой точке определяется как электрическая сила F, которая действует на положительной заряд q , помещённый в эту точку:

E - векторная величина, то есть имеет как величину, так и направление. Единицей измерения напряжённости является вольт на метр [В/м].

Принцип наложения (суперпозиции) указывает, что если электрическое поле создают множество зарядов, суммарная напряжённость определятся сложением напряжённостей, созданных каждым зарядом, по правилам сложения векторов.

2) Электрический потенциал. Чтобы переместить заряд против действующей на него электрической силы необходимо выполнить работу. Эта работа не зависит от пути перемещения заряда в электрическом поле, но зависит от начального и конечного положения заряда.

Если заряд перемещается из одной точки в другую против электрической силы, его потенциальная электростатическая энергия увеличивается. Электрический потенциал в любой точке равен электростатической потенциальной энергии W p , которую имеет положительный заряд q в этой точке: φ = W p /q (4) .

Можно также сказать, что электрический потенциал в точке равен работе, которую необходимо совершить против электрических сил, чтобы переместить положительный заряд из данной точки на большое расстояние, где потенциал электрического поля равен нулю. Электрический потенциал является скалярной величиной и измеряется в вольтах (В ).

Напряжённость электрического поля является отрицательным градиентом электрического потенциала - показателя изменения потенциала с расстоянием x : E → = - dφ/dx . С помощью приборов можно измерить разность потенциалов, но не напряжённость поля. Последняя может быть вычислена, если использовать зависимость между E → и Δφ : где Δφ = E·l - расстояние между двумя токами электрического поля.

Мембранный потенциал покоя

Каждая клетка превращает часть своей метаболической энергии в электростатическую энергию. Источником электрического поля клетки является плазматическая мембрана. Существует разность потенциалов между внутренней и внешней поверхностями плазматической мембраны. Эта разность потенциалов называется мембранным потенциалом .

Разность потенциалов между внутренней и внешней средами клетки может измеряться непосредственно и довольно точно. Для этого используют микроэлектрод, представляющий собой стеклянную микропипетку с диаметром кончика до 1мкм , заполненную концентрированным раствором KCl. Микроэлектрод подключают к усилителю напряжения регистрирующего устройства. Можно измерять мембранный потенциал мышечных, нервных клеток или клеток других тканей. Другой электрод (референтный) установлен на поверхности ткани.

Когда кончик микроэлектрода находится вне клетки, его потенциал по отношению к референтному электроду равен нулю. Если конец электрода погружают в клетку, прокалывая плазматическую мембрану, разность потенциалов резко становится отрицательной. На шкале измерительного устройства регистрируется разность потенциалов между внутренней и внешней средами клетки. Эта разность потенциалов называется трансмембранной, или мембранным потенциалом.


Если клетка находится в состоянии покоя, её мембранный потенциал имеет отрицательное значение и устойчивую величину. Обычно его называют мембранным потенциалом покоя . Мембранный потенциал покоя клеток различных тканей составляет от - 55 милливольт (мВ ) до - 100 мВ .

При определенных физиологических условиях могут происходить изменения мембранного потенциала. Изменения его в положительном направлении называется деполяризацией плазматической мембраны. Смещение мембранного потенциала в отрицательном направлении называется гиперполяризацией .

Биофизические основы мембранного потенциала покоя

Электрические явления в плазматической мембране определяются распределением ионов между внутренней и внешней сторонами мембраны. Из химического анализа известно, что концентрация ионов внутриклеточной жидкости сильно отличается от концентрации ионов во внеклеточной жидкости. Термин "внеклеточная жидкость" имеет отношение ко всем жидкостям вне клеток (межклеточное вещество, кровь, лимфа и т.п.). В таблице представлены концентрации основных ионов в мышечных клетках млекопитающих и внеклеточной жидкости (миллимоли на литр).

Существуют значительные различия между концентрацией основных ионов внутри и вне клетки. Внеклеточная жидкость имеет высокую концентрацию ионов натрия и хлора. Внутриклеточная жидкость имеет высокую концентрацию калия и различных органических анионов (A -) (заряженные группы белков).

Различие между концентрациями натрия и калия во внеклеточной и внутриклеточной жидкостях обусловлены деятельностью натрий-калиевого насоса, который выкачивает за один цикл 3 иона натрия из клетки и закачивает 2 иона калия в клетку против электрохимического градиента указанных ионов. Основная функция натрия-калия насоса - поддержание различия концентраций ионов натрия и калия по обе стороны плазматической мембраны.

В состоянии покоя проницаемость плазматической мембраны для ионов калия значительно превышает проницаемость мембраны для ионов натрия. В нервных клетках соотношения проницаемости соответствующих ионов составляет 1:0,04.

Этот факт дает возможность объяснять существование мембранного потенциала покоя.

Ионы калия стремятся покинуть клетку из-за их высокой внутренней концентрации. При этом перемещения через мембрану внутриклеточных анионов из-за их больших размеров не происходит. Незначительное поступление ионов натрия внутрь клетки также не компенсирует выход ионов калия наружу, так как проницаемость мембраны в покое для ионов натрия мала.

Следовательно, снаружи клетка приобретает дополнительно положительный заряд и внутри остаётся избыток отрицательного заряда.

Диффузия калия через мембрану - процесс ограниченный. Ионы калия, проникающие через мембрану, создают электрическое поле, которое задерживает диффузию других ионов калия. По мере выхода из клетки калия электрическое поле нарастает и, в конечном итоге, напряжённость достигает такого значения, когда поток калия через мембрану прекращается. Состояние, при котором поток ионов по их концентрационному градиенту уравновешивается мембранным потенциалом, называется состоянием электрохимического равновесия ионов. Величина такого мембранного потенциала равновесия определяется уравнением Нернста (при этом считают, что мембрана проницаема только для одного вида ионов) :

R - универсальная газовая постоянная, T - термодинамическая температура, z - электрический заряд иона, F - постоянная Фарадея, i и o - внутриклеточная и внеклеточная концентрации ионов калия соответственно.

Вычисления, основанные на уравнении Нернста, указывают, что внутренняя и внешняя концентрация иона хлора также соответствует состоянию электрохимического равновесия, но концентрация натрия далека от равновесия с мембранным потенциалом мембраны.

Уравнение Нернста показывает, что концентрационный градиент ионов калия определяет величину мембранного потенциала покоя только в первом приближении. Рассчитанные величины мембранного потенциала совпадают с экспериментально полученными только при высокой концентрации калия вне клетки.

Более точная величина мембранного потенциала покоя может быть вычислена из уравнения Гольдмана-Ходжкина, в котором учитываются концентрации и проницаемость мембраны для трёх основных ионов внутри- и внеклеточной жидкостей:

Также в поддержании мембранного потенциала покоя участвует непосредственно натрий-калий насос, выкачивая три иона натрия из клетки и закачивая лишь два иона калия. В результате мембранный потенциал покоя становится более отрицательным, чем был бы, если бы создавался только пассивным перемещением ионов через мембрану.

Потенциал действия

Если через мембрану нервной или мышечной клетки проходит кратковременный электрический ток, то мембранный потенциал подвергается последовательным изменениям, которые специфичны и уникальны для возбудимых клеток. Возбудимые ткани можно стимулировать также механическими или химическими средствами, но в экспериментальной работе, как правило, используются электрические стимулы.

Рис. 1. Потенциал действия нервной клетки.

Потенциал действия - быстрое колебание величины мембранного потенциала, вызванное действием на возбудимую клетку электрического или другого раздражителей.

На рис. 1 показан потенциал действия нервной клетки, записанный с помощью микроэлектрода. Если к клетке прикладывают кратковременный электрический стимул, мембранный потенциал уменьшается быстро до нуля. Это отклонение характеризуют как фазу деполяризаци и. В течение короткого времени внутренняя среда клетки становится электроположительна по отношению к наружней (фаза реверсии мембранного потенциала, или овершут ). Затем мембранный потенциал возвращается к уровню мембранного потенциала покоя (этап реполяризации ) (рис.2.).

Рис. 2. Фазы потенциала действия

Длительность потенциала действия составляет от 0,5 до 1 миллисекунды в больших нервных клетках и несколько миллисекунд в клетках скелетных мышц. Общая амплитуда - почти 100 - 120мВ , отклонение от нулевой линии - около 30-50мВ .

Потенциал действия играет ведущую роль в обработке информации в нервной системе. Он имеет постоянную амплитуду, которая не является вероятностной величиной. Это имеет большое значение в обработке информации нервной системой. Кодирование интенсивности раздражения осуществляется числом потенциалов действия и частотой, с которой потенциалы действия следуют друг за другом.

Биофизические основы потенциала действия

Потенциал действия возникает из-за специфических изменений ионной проницаемости в плазматической мембране. Английский физиолог Ходжкин показал, что основной механизм потенциала действия состоит в кратковременном и очень специфическом изменении проницаемости мембраны для ионов натрия. Ионы натрия при этом поступают в клетку до момента, пока мембранный потенциал не достигнет потенциала электрохимического равновесия ионов натрия.

Рис. 3. Изменение проницаемости мембраны для ионов натрия и калия во время потенциала действия

Проницаемость мембраны для натрия при действии на клетку электрического стимула возрастает приблизительно в 500 раз и становится значительно больше, чем проницаемость мембраны для ионов калия. В клетке резко повышается концентрация ионов натрия. В результате мембранный потенциал принимает положительное значение, и поток ионов натрия в клетку замедляется.

Во время возникновения потенциала действия происходит деполяризация плазматической мембраны. Быстрая деполяризация мембраны под действием электрического стимула вызывает увеличение её проницаемости для ионов натрия. Возросшее поступление ионов натрия в клетку усиливает деполяризацию мембраны, что, в свою очередь, вызывает дальнейшее увеличение проницаемости мембраны для натрия и т.д.

Но величина мембранного потенциала при деполяризации не достигает уровня потенциала электрохимического равновесия ионов натрия. Причиной этому является снижение проницаемости мембраны для ионов натрия из-за инактивации натриевого трансмембранного переноса. Этот процесс резко уменьшает проницаемость мембраны для ионов натрия и останавливает наплыв натрия в клетку.

В этот момент происходит увеличение проницаемости мембраны для ионов калия, что приводит к быстрому снижению величины мембранного потенциала к уровню потенциала покоя. Проницаемость мембраны для ионов калия также снижается до своего нормального значения. Таким образом, инактивация входящего натриевого тока и повышение проницаемости мембраны для ионов калия (выходящий ток) ограничивают длительность потенциала действия и приводят к реполяризации мембраны.

Таким образом, в течение потенциала действия некоторое количество ионов натрия поступают в клетку. Но это количество достаточно небольшое. Изменение концентрации ионов в больших нервных клетках составляет лишь около 1/300000 начальной величины.

Основной механизм изменений проницаемости мембраны обусловлен событиями в натриевых и калиевых каналах мембраны. Состояние их ворот управляется величиной мембранного потенциала. Натриевые каналы имеют два типа ворот. Один из них, называемые активационными воротами закрыты в состоянии покоя и открываются при деполяризации мембраны. Поступление ионов натрия в клетку вызывает открытие всё большего числа активационных ворот. Второй тип ворот натриевых каналов - инактивационные при усиливающейся деполяризации мембраны постепенно закрываются, что останавливает приток натрия в клетку. Деполяризация мембраны также служит причиной открытия дополнительного числа калиевых каналов, в результате чего увеличивается проницаемость мембраны для ионов калия и происходит реполяризация мембраны.

Рис. 4. Изменение состояния натриевых и калиевых каналов мембраны в зависимости от величины мембранного потенциала

Распространение потенциала действия

Потенциал действия распространяется вдоль мембраны нервной и мышечной клеток без уменьшения амплитуды с расстоянием. Этот процесс обусловлен кабельными свойствами плазматической мембраны, т.е. способностью проводить электрический ток на небольшие расстояния. Локальный электрический ток течет в клетку в активной области (где возникает потенциал действия) и из клетки - в смежной неактивной зоне. Эти ионные токи вызывают некоторые изменения мембранного потенциала в зоне, прилегающей к месту возникновения потенциала действия.

Циклический локальный ток снижает заряд мембраны в неактивной зоне и деполяризует её. Если деполяризация достигает порогового уровня, то возрастает проницаемость мембраны для ионов натрия и возникает потенциал действия. Таким образом потенциал действия распространяется вдоль нервных и мышечных волокон с постоянной скоростью.

Рис. 5. Распространение потенциала действия вдоль мембраны нервного волокна

Скорость распространения потенциала действия в нервных волокнах зависит от их диаметра. Она максимальна в наиболее толстых волокнах, достигая около 100 метров в секунду.

Одна из важнейших функций биологической мембраны - генерация и передача биопотенциалов. Это явление лежит в основе возбудимости клеток, регуляции внутриклеточных процессов, работы нервной системы, регуляции мышечного сокращения, рецепции. В медицине на исследование электрических полей, созданных биопотенциалами органов и тканей, основаны диагностические методы: электрокардиография, электроэнцефалография, электромиография и другие. Практикуется и лечебное воздействие на ткани и органы внешними электрическими импульсами при электростимуляции.

В процессе жизнедеятельности в клетках и тканях могут возникать разности электрических потенциалов: Δj

1) окислительно-восстановительные потенциалы - вследствие переноса электронов от одних молекул к другим;

2) мембранные - вследствие градиента концентрации ионов и переноса ионов через мембрану.

Биопотенциалы, регистрируемые в организме, - это в основном мембранные потенциалы.

Мембранным потенциалом называется разность потенциалов между внутренней (цитоплазматической) и наружной поверхностями мембраны:

j м = j нар - j вн. (1)

Прогресс в исследовании биопотенциалов обусловлен:

1) разработкой микроэлектродного метода внутриклеточного измерения потенциалов;

2) созданием специальных усилителей биопотенциалов (УПТ);

3) выбором удачных объектов исследования крупных клеток и среди них гигантского аксона кальмара. Диаметр аксона кальмара достигает 0,5 мм, что в 100 - 1000 больше, чем диаметр аксонов позвоночных животных, в том числе человека. Гигантские размеры аксона имеют большое физиологическое значение -обеспечивают быструю передачу нервного импульса по нервному волокну.

Для биофизики гигантский аксон кальмара послужил великолепным модельным объектом для изучения биопотенциалов. В гигантский аксон кальмара можно ввести микроэлектрод, не нанеся аксону значительных повреждений.

Стеклянный микроэлектрод представляет собой стеклянную микропипетку с оттянутым очень тонким кончиком (рис.5.1).

Металлический электрод такой толщины пластичен и не может проколоть клеточную мембрану, кроме того он поляризуется. Для исключения поляризации электрода используются не­поляризующиеся электроды, например серебряная проволока, покрытая солью AgCl В раствор КС1 или NaCl (желатинизированный агар-агаром), заполняющий микроэлектрод.

Второй электрод - электрод сравнения - располагается в растворе у наружной поверхности клетки. Регистрирующее устройство Р, содержащее усилитель постоянного тока, измеряет мембранный потенциал:

Рис.5.1 - Микроэлектродный метод измерения биопотенциалов

а - стеклянная микропипетка; б - стеклянный микроэлектрод;

в - схема регистрации мембранного потенциала

Микроэлектродный метод дал возможность измерить биопотенциалы не только на гигантском аксоне кальмара, но и на клетках нормальных размеров: нервных волокнах других животных, клетках скелетных мышц, клетках миокарда и других.

Мембранные потенциалы подразделяются на потенциалы покоя и потенциалы действия.

Потенциал покоя - стационарная разность электрических потенциалов, регистрируемая между внутренней и наружной поверхностями мембраны в невозбужденном состоянии.

Потенциал покоя определяется разной концентрацией ионов по разные стороны мембраны и диффузией ионов через мембрану.

Если концентрация какого-либо иона внутри клетки С вн отлична от концентрации этого иона снаружи С нар и мембрана проница­ема для этого иона, возникает поток заряженных частиц через мембрану, вследствие чего нарушается электрическая нейтральность системы, образуется разность потенциалов внутри и снаружи клетки j м = j нар - j вн которая будет препятствовать дальнейшему перемещению ионов через мембрану. При установлении равновесия выравниваются значения электрохимических потенциалов по разные стороны мембраны: m вн = m нар .

Так как m = m 0 + RTlnC + ZFj, то

RTlnC вн + ZFj вн = RTlnC нар + ZFj нар

Отсюдалегко получить формулу Нернста для равновесного мембранного потенциала

j м = j нар - j вн = - RT/ZF´ln(C вн /С нар)

Если мембранный потенциал обусловлен переносом ионов К + ,для которого [К + ] вн > [К + ] нар и Z = +1, равновесный мембранный потенциал

Для ионов Na + : вн < нар, Z = +1,

Если в формуле Нернста перейти от натурального логарифма к десятичному, то для положительного одновалентного иона (Z = +1)

Примем температуру Т=300 К, тогда

Примем в формуле Нернста С вн /С нар ≈100, что по порядку величины соответствуют экспериментальным данным для калия:

lg , и мембранный потенциал

0,06∙2В = 0,12В = 120мВ,

что несколько больше модуля экспериментально измеренных значений потенциала покоя, и, пользуясь формулами электростатики, оценим, какое количество ионов должно перейти из цитоплазмы в неклеточную среду, чтобы создать такую разность потенциалов. Радиус клетки r = 10 мкм = 10 -5 м. Удельная электроемкость мембраны (электроемкость на единицу площади) С уд =10 -2 Ф/м 2 . Площадь мембраны 4πr 2 ≈ 4π∙10 -10 м 2 ≈10 -9 м 2 . Тогда электроемкость мембраны

C=C уд ∙S≈10 -2 ∙10 -9 м 2 .

Абсолютная величина заряда каждого знака на поверхности мембраны, если ее представить себе как конденсатор,

что соответствует

Объем клетки

Изменение концентрации ионов в клетке вследствие выхода из клетки 10 -17 моль ионов составит

Небольшое изменение концентрации по сравнению с изменением концентрации ионов калия внутри клетки, составляет всего 10 -4 % от концентрации калия внутри клетки. Таким образом, чтобы создать равновесный нернстовский мембранный потенциал, через мембрану должно пройти пренебрежимо малое количество ионов по сравнению с общим их количеством в клетке.

Таким образом, потенциал покоя на самом деле ближе к потенциалу, рассчитанному по формуле Нернста для К + .Вместе с тем, обращает на себя внимание значительное расхождение экспериментальных и теоретических значений. Причины расхождения в том, что не учтена проницаемость мембраны для других ионов. Одновременная диффузия через мембрану ионов К + , Na + и С1 - учитывается уравнением Гольдмана.

Уравнение Гольдмана можно вывести из уравнения Нернста-Планка.

Преобразуем это уравнение:

URT=D согласно соотношению Эйнштейна. Примем так называемое приближение постоянного поля Гольдмана. Будем считать напряженность электрического поля в мембране постоянной и равной среднему значению градиента потенциала:

где l – толщина мембраны.

Получим для плотности ионного потока через мембрану:

Обозначим Запишем

Разделим переменные:

Проинтегрируем левую часть дифференциального уравнения в пределах от 0 до 1, а правую от С нар =КС нар до С вн =КС вн (где К – коэффициент распределения)

После потенциирования

Выразим отсюда:

Учитывая, что , получим:

В стационарном случае, когда разность потенциалов - мембранный потенциал - тормозит дальнейший перенос ионов через мембрану, суммарный поток различных ионов становится равным нулю:

j K + + j Na + - j Cl - = 0

Перед j стоит знак минус, учитывающий отрицательный заряд иона хлора. Однако, так как в создании мембранного потенциала участвуют различные ионы, равновесие при этом не наступает, потоки различных ионов не равны нулю по отдельности. Если учесть только потоки j K + и j Na + , то j K+ +j Na+ =0 , или j K = - j Na + и, подставив, получим:

Поскольку,

Если учесть еще и поток ионов С1 - , то, повторив предыдущие рассуждения, можно получить уравнение для мембранного потенциала, созданного потоками через мембрану трех видов ионов, уравнение Гольдмана:

В числителе выражения, стоящего под знаком логарифма, представлены концентрации [К + ] ВН, BH , но [С1 - ] НАР , а в знаменателе - [К + ] НАР, H АР, но [С1 - ] ВН , так как ионы хлора отрицательно заряжены.

В состоянии покоя проницаемость мембраны для ионов К + значительно больше, чем для Na + , и больше, чем для С1 - :

P K >>P Na , P K >P Na .

Для аксона кальмара, например,

P K:P Na:P Cl =1:0,04:0,45.

Переписав уравнение Гольдмана в виде:

в случае, когда проницаемость мембраны для ионов натрия и хлора значительно меньше проницаемости для калия:

P Na << P K , P Cl << P K ,

Таким образом, уравнение Нернста - частный случай уравнения Гольдмана.

Мембранный потенциал, рассчитанный по уравнению Гольдмана, оказался по абсолютной величине меньше мембранного потенциала, рассчитанного по формуле Нернста» ближе к экспериментальным его значениям в крупных клетках. И формула Нернста, и уравнение Гольдмана не учитывают активного транспорта ионов через мембрану, наличия в мембранах электрогенных (вызывающих разделение зарядов, а следовательно и возникновение разности потенциалов) ионных насосов, играющих важную роль в поддержании ионного равновесия в мелких клетках. В цитоплазматической мембране работают К + -Nа + -АТФазы, перекачивающие калий внутрь клетки, а натрий из клетки. С учетом работы электрогенных ионных насосов для мембранного потенциала было получено уравнение Томаса:

где m - отношение количества ионов натрия к количеству ионов калия, перекачиваемых ионными насосами через мембрану. Чаще всего К + -Nа + -АТФаза работает в режиме, когда m = 3/2, m всегда больше 1. (Нет ионных насосов, перекачивающих Сl , поэтому в уравнении Томаса отсутствуют члены Р Сl [Сl - ].)

Коэффициент m > 1 усиливает вклад градиента концентрации калия в создание мембранного потенциала, поэтому мембранный потенциал, рассчитанный по Томасу, больше по абсолютной величине, чем мембранный потенциал, рассчитанный по Гольману, и дает совпадение с экспериментальными значениями для мелких клеток.

Нарушение биоэнергетических процессов в клетке и работы K + -Na + -АТФазы приводит к уменьшению |φ м |, в этом случае мембранный потенциал лучше описывается уравнением Гольдмана.

Повреждение клеточной мембраны приводит к повышению проницаемости клеточных мембран для всех ионов: к повышению и P к, и P Na , и P сl Вследствие уменьшение различия проницаемостей абсолютное значение мембранного потенциала |φ м | снижается.

Для сильно поврежденных клеток |φ м | еще меньше, но сохраняется отрицательный мембранный потенциал |φ м | за счет содержащихся в клетке полианионов - отрицательно заряженных белков, нуклеиновых кислот и других крупных молекул, не могущих проникнуть через мембрану (доннановский потенциал).

Потенциал действия

Посредством электрических нервных импульсов (потенциалов действия) в живом организме передается информация от рецепторов к нейронам мозга и от нейронов мозга к мышцам. Живой организм является полностью электрифицированной системой. Без электричества нет жизни.

Потенциал действия был открыт раньше потенциала покоя. Животное электричество известно давно. Разряды электрического угря (происходящие при напряжении до 600 В, с током около 60 А и длительностью порядка миллисекунды) использовались медициной еще в Древнем Риме для лечения подагры, головной боли, эпилепсии. Электрический нервный импульс открыл Луиджи Гальвани, профессор анатомии в г. Болонья. Результаты его электрофизиологических опытов изложены в книге "Трактат о силах электричества при мышечном движении" (1791 г.). Гальвани открыл, что мышечные сокращения конечностей препарированной лягушки могут вызваться электрическим импульсом и что сама живая система является источником электрического импульса. Великое открытие Гальвани сыграло выдающуюся роль в развитии физики, электротехники, электрохимии, физиологии, биофизикии и медицины. Однако, огромная популярность идей Гальвани привела к их профанациям, следы которых остались до нашего времени (гальванизация трупов, гальванизм прикосновений взглядов и т.д.), что вызывало недоверие к экспериментам Гальвани ученых-физиков. Младший современник Гальвани профессор физики Алессандро Вольта был яростым противником идеи животного электричества (за исключением особых случаев электрических рыб: электрического угря и электрического ската). В своих экспериментах он исключил биологический объект и показал, что электрический ток может быть получен при контакте набора металлов, разделенных электролитом (вольтов столб). Так был открыт химический источник тока (названный, однако, позже, в честь его научного противника гальваническим элементом).

В XIX веке утвердилось примитивное представление о распространении электрических токов по нервам, как по проводам. Однако Гельмгольцем (вторая половина XIX века) было показано, что скорость распространения нервного импульса составляет лишь 1-100 м/с, это значительно меньше, чем скорость распространения электрического импульса по проводам до 3 10 8 м/с. Поэтому к концу XIX века гипотеза электрической природы нервного импульса была отвергнута большинством физиологов. Было выдвинуто предположение о распространении по нервным волокнам химической реакции. На самом деле, как было показано позже, медленное распространение электрического нервного импульса связано с медленной перезарядкой конденсаторов, которые представляют собой клеточные мембраны, через большие сопротивления. Постоянная времени перезарядки мембраны τ= RC велика, так как велики емкость мембраны (С) и сопротивление R нервного волокна.

То, что нервный импульс представляет собой импульс электрического тока, было доказано лишь к середине 20-го века, в основном в работах английского физиолога А. Ходжкина и его сотрудников. В1963 году Ходжкину, Хаксли и Иклсу была присуждена Нобелевская премия по медицине "за оперирование нервных клеток".

Потенциалом действия (ПД) называется электрический импульс, обусловленный изменением ионной проницаемости мембраны и связанный с распространением по нервам и мышцам волны возбуждения.

Опыты по исследованию потенциала действия проведены (в основном Ходжкиным и его сотрудниками) на гигантских аксона кальмара методом микроэлектродов с использованием высокоомных измерителей напряжения, а также методом меченых атомов. На риспоказаны схема опытов и результаты исследований.

В опытах по исследованию потенциала действия использовали два микроэлектрода, введенных в аксон. На первый микроэлектрод подается импульс с амплитудой V от генератора Г прямоугольных импульсов, меняющий мембранный потенциал. Мембранный потенциал измеряется при помощи второго микроэлектрода высокоомным регистратором напряжения Р.

Рис.5.2 - Исследование потенциала действия:

а - схема опыта (Г - генератор импульсов, Р - регистратор напряжения); б - потенциал действия (φ п м - потенциал покоя, φ рев м - потенциал реверсии, φ д м - амплитуда потенциала действия, φ пор м – пороговый потенциал)

Возбуждающий импульс вызывает лишь на короткое время смещение мембранного потенциала, который быстро пропадает и восстанавливается потенциал покоя. В том случае, когда возбуждающий импульс смещается еще дальше в отрицательную сторону, он сопровождается гиперполяризацией мембраны. Также не формируется потенциал действия, когда возбуждающий импульс положительный (деполяризующий), но его амплитуда меньше порогового значения V nop . Однако, если амплитуда положительного, деполяризующего импульса окажется больше значения V nop , φ м становится больше φ пор м и в мембране развивается процесс, в результате которого происходит резкое повышение мембранного потенциала и мембранный потенциал φ м даже меняет свой знак - становится положительным (φ вн >φ нар).

Достигнув некоторого положительного значения φ рев - потенциала реверсии, мембранный потенциал возвращается к значению потенциала покоя φ п м, совершив нечто вроде затухающего колебания. В нервных волокнах и скелетных мышцах длительность потенциала действия около 1 мс (а в сердечной мышце около 300 мс. После снятия возбуждения еще в течение 1 -3 мс в мембране наблюдаются некоторые остаточные явления, во время которых мембрана рефрактерна (невозбудима).

Новый деполяризующий потенциал V > V nop может вызвать образование нового потенциала действия только после полного возвращения мембраны в состояние покоя. Причем амплитуда потенциала действия

не зависит от амплитуды деполяризующего потенциала (если только V > V nop). Если в покое мембрана поляризована (потенциал цитоплазмы отрицателен по отношению к внеклеточной среде), то при возбуждении происходит деполяризация мембраны (потенциал внутри клетки положителен) и после снятия возбуждения происходит реполяризация мембраны.

Характерные свойства потенциала действия:

1) наличие порогового значения деполяризующего потенциала;

2) закон "все или ничего", то есть, если деполяризующий потенциал больше порогового, развивается потенциал действия, амплитуда которого не зависит от амплитуды возбуждающего импульса и нет потенциала действия, если амплитуда деполяризующего потенциала меньше пороговой;

3) есть период рефрактерности, невозбудимости мембраны во время развития потенциала действия и остаточных явлений после снятия возбуждения;

4) в момент возбуждения резко уменьшается сопротивление мембраны (у аксона кальмара от 0,1 Ом м 2 в покое до 0,0025 Ом м 2 при возбуждении).

Если обратиться к данным для значений равновесных нернстовских потенциалов, созданных различными ионами, естественно предположить, что положительный потенциал реверсии имеет натриевую природу, поскольку именно диффузия натрия создает положительную разность потенциалов между внутренней и наружной поверхностями мембраны.

Можно менять амплитуду импульса потенциала действия, изменяя концентрацию натрия в наружной среде. При уменьшении наружной концентрации натрия амплитуда потенциала действия уменьшается, так как меняется потенциал реверсии. Если из окружающей клетку среды полностью удалить натрий, потенциал действия вообще не возникает.

Опыты, проведенные с радиоактивным изотопом натрия, позволили установить, что при возбуждении проницаемость для натрия резко возрастает. Если в состоянии покоя соотношение коэффициентов проницаемости мембраны аксона кальмара для разных ионов:

P K: P Na: P Cl = 1: 0,04: 0,45

то в состоянии возбуждения:

P K: P Na: P Cl = 1: 20: 0,45

то есть, по сравнению с невозбужденным состоянием, при возбуждении коэффициент проницаемости для натрия возрастает в 500 раз.

Расчеты мембранного потенциала реверсии по уравнению Гольдмана, если в него подставить значения проницаемостей мембраны для возбужденного состояния, совпадают с экспериментальными данными.

Возбуждение мембраны описывается уравнениями Ходжкина-Хаксли. Одно из уравнений Ходжкина-Хаксли имеет вид:

где I м - ток через мембрану, С м - емкость мембраны, ∑I i - сумма ионных токов через мембрану.

Электрический ток через мембрану складывается из ионных токов: ионов калия - I k + , натрия - I Na + и других ионов, в том числе Сl, так называемого тока утечки I k , а также емкостного тока. Емкостной ток обусловлен перезарядкой конденсатора, который представляет собой мембрана, перетеканием зарядов с одной ее поверхности на другую. Его величина определяется количеством заряда, перетекающего с одной обкладки на другую за единицу времени dq/dt, а поскольку заряд конденсатоpa q = С м ∆φ = С м φ м, то емкостной ток С М . Полный мембранный ток

Согласно теории Ходжкина-Хаксли, возбуждение элемента мембраны связано с изменениями проводимости мембраны для ионов Na + и К + : g K и g Na .

Проводимости мембраны сложным образом зависят от мембранного потенциала и времени.

Обнаружено, что, если поднять мембранный потенциал (φ м выше порогового, сначала течет ток внутрь клетки, а затем из клетки наружу).

В экспериментах, проведенных Ходжкиным, Хаксли, Бейкером, Шоу, было доказано, что фаза I мембранного тока связана с потоком ионов натрия из окружающей среды (где концентрация натрия больше) в клетку (где она меньше), а фаза II объясняется вытеканием ионов калия из клетки наружу.

В своих опытах Ходжкин и Хаксли изменяли ионный состав окружающего раствора. Было обнаружено, что, если снаружи убирали натрий, первая фаза мембранного тока (ток внутрь клетки) пропадала. Следовательно, на самом деле, первая фаза развития потенциала действия связана с увеличением проницаемости мембраны для ионов натрия. Поток положительных частиц в клетку приводит к деполяризации мембраны - внутренняя ее поверхность заряжается положительно по отношению к наружной.

Во второй фазе резко увеличивается проницаемость мембраны для калия и из клетки наружу выходят положительно заряженные ионы калия, в то время как натриевый ток уменьшается. Ионный механизм развития потенциала действия был окончательно доказан в решающем эксперименте Ходжкина, Бейкера и Шоу, в котором аксоплазму препарированного аксона заменили на наружный раствор, а ионный состав наружного раствора сделали таким же, как у нормальной аксоплазмы. При такой замене ионных составов изменила знак разность потенциалов на мембране. Теперь в покое внутренняя ее поверхность была заряжена положительно по отношению к наружной. А потенциал действия оказался отрицательным.

Выдвинута гипотеза, что селективное (избирательное) изменение ионной проницаемости возбужденной мембраны: сначала для Na + , а потом для К + - объясняется тем, что в мембране имеются специальные ионные каналы. Существуют отдельно натриевые и калиевые каналы, которые открываются и закрываются во время прохождения через данный участок мембраны нервного импульса. В первой фазе - открываются натриевые каналы, во второй фазе - калиевые. Соответственно, сначала закрываются натриевые каналы, а затем калиевые. Открывание и закрывание ионных каналов вызывается изменением мембранного потенциала.

Одно из доказательств наличия в мембране ионных каналов - существование веществ, блокирующих ионные потоки через мембрану. Так, содержащийся в рыбе фугу тетродотоксин блокирует поступление внутрь клетки натрия и, таким образом, нарушает передачу нервного импульса, что может привести к летальному исходу. Доказано, что тетродотоксин не влияет на проницаемость клетки для калия, значит, ионы натрия и калия на самом деле проходят через разные каналы. Из-за своего специфического строения молекулы тетродотоксина, по-видимому, застревают в натриевых каналах. Подсчитав число застрявших в мембране молекул тетродотоксина, удалось определить количество натриевых каналов. В разных нервных волокнах позвоночных оно было разным - от 3 до 75 каналов на один квадратный микрометр площади мембраны (для сравнения количество молекул фосфолипидов ≈ 2 10 6 1/мкм 2).

Был обнаружен и специфический ингибитор калиевых каналов - тетраэтиламмоний . Если обработать мембрану тетродотоксином, блокирующим натриевые каналы, в опытах с фиксацией мембранного потенциала пропадает первая фаза, а тетраэтиламмоний прекращающий перенос через мембрану калия, вызывает исчезновение второй фазы.

Таким образом, установлено, что формирование потенциала действия вызывается ионными потоками через мембрану: сначала ионов натрия внутрь клетки, а затем - ионов калия из клетки в наружный раствор, что связано с изменением проводимости мембраны для ионов калия и натрия.

Мембранный потенциал покоя (МПС) — это разность потенциалов между внешней и внутренней сторонами мембраны в условиях, когда клетка не возбуждено. Цитоплазма клетки заряжена отрицательно к внеклеточной жидкости неравномерным распределением анионов и катионов по обе стороны мембраны. Разность потенциалов (напряжение) для различных клеток имеет значение от -50 до -200 мВ (минус означает, что внутри клетка более негативно заряжена, чем снаружи). Мембранный потенциал покоя возникает на мембранах всех клеток — возбуждающих (нервов, мышц, секреторных клеток) и незбудливих.

МПС необходим для поддержания возбудимости таких клеток, как мышечные и нервовои. Также он влияет на транспорт всех заряженных частиц в любом типе клеток: он способствует пассивному транспорта анионов из клетки и катионов в клетку.

Образование и поддержания мембранного потенциала обеспечивают различные типы ионных насосов (в частности натрий-калиевый насос или натрий-калиевая АТФаза) и ионных каналов (калиевые, натриевые, хлорные ионные каналы).

Регистрация потенциала покоя

Для регистрации потенциала покоя используют специальную микроэлектродную технику. Микроэлектрод — это тоненькая стеклянная трубочка, с вытянутым концом, диаметром менее 1 мкм, заполненная раствором электролита (чаще хлорида калия). Рефернтним электродом служит серебряная хлорированная пластинка, расположенная в внеклеточном пространстве, оба электрода подключены к осциллографа. Сначала оба электрода занходяться в внеклеточном пространстве и разность потенциалов между ними отсутствует, если ввести регистрирующий микроэлектрод через мембрану в клетку, то осциллограф покажет скачкообразное смещение потенциала примерно до -80 мВ. Этот сдвиг потенциала называют мембранным потенциалом покоя.

Формирование потенциала покоя

К возникновению мембранного потенциала покоя приводят два фактора: во-первых, концентрации различных ионов отличаются внешне и всереднини клетки, во-вторых мембрана является полупроницаемой: одни ионы могут через нее проникать, другие — нет. Оба эти явления зависят от наличия в мембране специальных белков: концентрационные градиенты создают ионные насосы, а проницаемость мембраны для ионов обеспечивают ионные каналы. Важнейшую роль в формировании мембранного потенциала играют ионы калия, натрия и хлора. Концентрации этих ионов видризняюються по обе стороны мембраны. Для нейрона млекопитающих концентрация K + составляет 140 ммоль внутри клетки и только 5 мМ извне, градиент концентрации Na + почти противоположный — 150 ммоль снаружи и 15 мМ внутри. Такое распределение ионов поддерживается натрий-калиевым насосом в плазматической мембране — белком использующий энергию АТФ для закачки K + в клетку и скачивания Na + из нее. Также существует концентрационный градиент и для других ионов, например, хлорид аниона Cl -.

Концентрационные градиенты катионов калия и натрия — это химическая форма потенциальной энергии. В преобразовании энергии в электрическую участвуют ионные каналы — поры формируются скоплениями специальных трансмембранных белков. Когда ионы диффундируют через канал, они переносят единицу электрического заряда. Любой суммарный движение положительных или отрицательных ионов через мембрану будет создавать напряжение, или разность потенциалов по обе стороны мембраны.

Ионные каналы, участвующие в утовренни МПС имеют избирательную проницаемость, то есть дают возможность проникать только определенному типу ионов. В мембране нейрона в состоянии покоя открытые калиевые каналы (те, что в основном пропускают только калий), большинство натриевых каналов — закрыты. Диффузия ионов K + через калиевые каналы является решающим для создания мембранного потенциала. Так как концентрация K + значительно выше внутри клетки, химический градиент способствует оттоку этих катионов из клетки, поэтому в цитоплазме начинают преобладать анионы, которые не могут проходить через калиевые каналы.

Отток ионов калия из клетки ограничен самым мембранным потенциалом, поскольку при определенном его уровне накопление отрицательных зарядов в цитоплазме будет ограничивать движение катионов за пределы клетки. Таким образом, главным фактором в возникновении МПС является распределение ионов калия под действием электрического и химического потенциалов.

Равновесный потенциал

Для того, чтобы определить влияние движения определенного иона через полупроницаемую мембрану на формирование мембранного потенциала, строят модельные системы. Такая модельная система состоит из сосуда разделенной на две ячейки искусственной полупроницаемой мембраной, в которую встроены ионные каналы. В каждую ячейку можно погрузить электрод и померить разность потенциалов.

Рассмотрим случай, когда искусственная мембрана проницаема только для калия. По две стороны мембраны модельной системы создают градиент концентрации аналогичный таковому у нейроне: в ячейку, соответствующую цитоплазме (внутренняя ячейка), помещают 140 мМ раствор хлорида калия (KCl), в ячейку, соответствующую межклеточной жидкости (внешняя ячейка) — 5 ммоль раствор KCl. Ионы калия будут диффундировать через мембрану во внешнюю ячейку по градиенту концентрации. Но поскольку анионы Cl — проникать через мембрану не могут во внутренней ячейке возникать избыток отрицательного заряда, который будет препятствовать подали оттока катионов. Когда такие модельные нейроны достигнут состояния равновесия, действие химического и электрического потенциала будет сбалансирована, ни суммарной диффузии К + не будет наблюдаться. Значение мембранного потенциала, виинкае при таких условиях, называется равновесным потенциалом для определенного иона (Е ион). Равновесный потенциал для калия составляет примерно -90 мВ.

Аналогичный опыт можно провести и для натрия, установив между ячейками мембрану проникающей только для этого катиона, и поместив во внешнюю ячейку раствор хлорида натрия с концентрацией 150 мМ, а во внутреннюю — 15 мМ. Натрий будет двигаться во внутреннюю ячейку, ривоноважний потенциал для него составит примерно 62 мВ.

Количество ионов, должна диффундировать для генерации электрического потенциала очень невелика (примерно 10 -12 моль К + на 1 см 2 мембраны), этот факт имеет два важных последствия. Во-прешь, это означает, что концентрации ионов, которые могут проникать через мембрану, остаются стабильными снаружи и внутри клетки, даже после того как их движение обеспечил утоврення электрического потенциала. Во-вторых, мизерные потоки ионов через мембрану, потирбно для установления потенциала, не нарушают электронейтральности цитоплазмы и внеклеточной жидкости в целом, распределение зарядов происходит только в области, непосредственно прилегающей к плазматической мембраны.

Уравнение Нернста

Равновесный потенциал для определенного иона, например для калия, можно рассчитать по уравнению Нернста, что выглядит так:

,

где R — универсальная газовая постоянная, Т — абслоютна температура (по шкале Кельвина), z — заряд иона, F — число Фарадея, o, i — концентрация калия снаружи и внутри клетки соответственно. Поскольку описанные процессы происходят при температуре тела — 310 ° К, а десятичными логарифмами в исчислении пользоваться легче чем натуральными, это уравнение превращают следующим образом:

Подставляя концентрации К + в уравнение Нернста получаем равновесный потенциал для калия, составляет -90 мВ. Поскольку по нулевой потенциал принимается внешняя сторона мембраны, то знак минус означает, что в условиях равновесного калиевого потенциала внутренняя Сторн мембраны сравнительно более электроотрицательным. Аналогичные расчеты можно провести и для равновесного Натиева потенциала, он составляет 62 мВ.

Уравнения Голдмана

Хотя равновесный потенциал для ионов калия составляет -90 мВ, МПС нейрона несколько менее отрицательный. Эта разница отражает незначительное но постоянное следование ионов Na + через мембрану в состоянии покоя. Поскольку концентрационный градиент для натрия противоположный такого для калия, Na + движется внутрь клетки и сдвигает суммарный заряд на внутренней стороне мембраны в положительную сторону. На самом деле МПС нейрона составляет от -60 до -80 мВ. Это значение значительно ближе к Е K чем до Е Na, потому что в состоянии покоя в нейроне открыто много калиевых каналов и очень мало натриевых. Также на встанвлення МПС влияет движение ионов хлора. В 1943 году Дэвид Голдаман предложил усовершенствовать уравнение Нернста так, чтобы оно отражало влияние различных ионов на мембарнний потенциал, в этом уравнении учитывается относительная проницаемость мембраны для каждого типа ионов:

где R — универсальная газовая постоянная, Т — абслоютна температура (по шкале Кельвина), z — заряд иона, F — число Фарадея, [ион] o, [ион] i — концентрации ионов внутри и внутри клеток, Р — относительная проницаемость мембраны для соответствующего иона. Значение заряда в данном уравнении не сохраняется, но оно учтено — для хлора внешняя и внутренняя концентрация поменяны местами, так как его заряд 1.

Значение мембранного потенциала покоя для различных тканей

  • Разделенными мышцы -95 мВ;
  • Непосмугованих мышцы -50 мВ;
  • Астроглией от -80 до -90 мВ;
  • Нейроны -70 мВ.

Роль натрий-калиевого насоса в формировании МПС

Мембранный потенциал покоя может существовать только при условии неравномерного распределения ионов, обеспечивается функционированием натрий-калиевого насоса. Кроме того, этот белок делает также электрогенных властовости — он переносит 3 катионы натрия в обмен на 2 ионы калия, движущихся внутрь клетки. Таким образом, Na + -K + -АТФазы снижает МПС на 5-10 мВ. Подавление деятельности этого белка приводит к незначительному (на 5-10 мВ) мгновенного повышения мембранного потенциала, после чего он еще некоторое время будет существовать на достаточно стабильном уровне, пока будут сохраняться градиенты концентраций Na + и K +. Впоследствии эти градиенты начнут уменьшаться, вследствие проникнсоти мембраны к ионам, и через несколько десятков минут электрический потенциал на мембране исчезнет.

Установлено, что наиболее важными ионами, определяющими мембранные потенциалы клеток, являются неорганические ионы К + , Na + , СГ, а также в ряде случаев Са 2 + . Хорошо известно, что концентрации этих ионов в цитоплазме и в межклеточной жидкости различаются в десятки раз.

Из табл. 11.1 видно, что концентрация ионов К + внутри клетки в 40-60 раз выше, чем в межклеточной жидкости, тогда как для Na + и СГ распределение концентраций противоположное. Неравномерное распределение концентраций этих ионов по обе стороны мембраны обеспечивается как их различной проницаемостью, так и сильным электрическим полем мембраны, которое определяется ее потенциалом покоя.

Действительно, в состоянии покоя суммарный поток ионов через мембрану равен нулю, и тогда из уравнения Не- рнста - Планка следует, что

Таким образом, в покое градиенты концентрации - и

электрического потенциала -- на мембране направлены

противоположно друг другу и поэтому в покоящейся клетке высокая и постоянная разность концентраций основных ионов обеспечивает поддержание на мембране клетки электрического напряжения, которое и называют равновесным мембранным потенциалом.

В свою очередь возникающий на мембране потенциал покоя препятствует выходу ионов из клетки К + и чрезмерному входу в нее СГ, поддерживая тем самым их концентрационные градиенты на мембране.

Полное выражение для мембранного потенциала, учитывающее потоки диффузии этих трех видов ионов, было получено Гольдманом, Ходжкиным и Катцем:

где Р к, P Na , Р С1 - проницаемость мембраны для соответствующих ионов.

Уравнение (11.3) с высокой точностью определяет мембранные потенциалы покоя различных клеток. Из него следует, что для мембранного потенциала покоя важны не абсолютные величины проницаемостей мембраны для различных ионов, а их отношения, так как, разделив обе части дроби под знаком логарифма, например, на Р к, мы перейдем к относительным проницаемостям ионов.

В тех случаях, когда проницаемость одного из этих ионов значительно больше, чем других, уравнение (11.3) переходит в уравнение Нернста (11.1) для этого иона.

Из табл. 11.1 видно, что мембранный потенциал покоя клеток близок к потенциалу Нернста для ионов К + и СВ, но значительно отличается от него по Na + . Это свидетельствует

0 том, что в покое мембрана хорошо проницаема для ионов К + и СГ, тогда как для ионов Na + ее проницаемость очень низка.

Несмотря на то что равновесный потенциал Нернста для СГ наиболее близок к потенциалу покоя клетки, последний имеет преимущественно калиевую природу. Это обусловлено тем, что высокая внутриклеточная концентрация К + не может существенно уменьшиться, так как ионы К + должны уравновешивать внутри клетки объемный отрицательный заряд анионов. Внутриклеточные анионы представляют собой в основном крупные органические молекулы (белки, остатки органических кислот ит.п.), которые не могут пройти через каналы в клеточной мембране. Концентрация этих анионов в клетке практически постоянна и их суммарный отрицательный заряд препятствует значительному выходу калия из клетки, поддерживая вместе с Na-K-насосом его высокую внутриклеточную концентрацию . Однако основная роль в первоначальном установлении внутри клетки высокой концентрации ионов калия и низкой концентрации ионов натрия принадлежит Na-K-насосу.

Распределение ионов С1 устанавливается в соответствии с мембранным потенциалом, поскольку в клетке нет специальных механизмов поддержания концентрации СГ. Поэтому вследствие отрицательного заряда хлора его распределение оказывается обратным по отношению к распределению калия на мембране (см. табл. 11.1). Таким образом, концентрационные диффузии К + из клетки и С1 в клетку практически уравновешиваются мембранным потенциалом покоя клетки.

Что касается Na + , то в покое его диффузия направлена в клетку под действием как градиента концентрации, так и электрического поля мембраны и вход Na + в клетку ограничивается в покое только малой проницаемостью мембраны для натрия (закрыты натриевые каналы). Действительно, Ходжкин и Катц экспериментально установили, что в состоянии покоя проницаемости мембраны аксона кальмара для К + , Na + и СГ относятся как 1: 0,04: 0,45. Таким образом, в состоянии покоя клеточная мембрана малопроницаема только для Na + , а для СГ она проницаема почти так же хорошо, как и для К + . В нервных клетках проницаемость для СГ обычно ниже, чем для К + , но в мышечных волокнах проницаемость для СГ даже несколько преобладает.

Несмотря на малую проницаемость клеточной мембраны для Na + в покое, существует, хотя и весьма малый, пассивный перенос Na + в клетку. Этот ток Na + должен был бы приводить к снижению разности потенциалов на мембране и к выходу К + из клетки, что вело бы в конечном итоге к выравниванию концентраций Na + и К + по обе стороны мембраны. Этого не происходит благодаря работе Na + - К + -насоса, компенсирующего токи утечки Na + и К + и поддерживающего таким образом нормальные значения внутриклеточных концентраций этих ионов и, следовательно, нормальную величину потенциала покоя клетки.

Для большинства клеток мембранный потенциал покоя составляет (-бО)-(-ЮО) мВ. На первый взгляд может показаться, что это малая величина, но надо учесть, что толщина мембраны тоже мала (8-10 нм), так что напряженность электрического поля в клеточной мембране огромна и составляет около 10 млн вольт на 1 м (или 100 кВ на 1 см):

Воздух, например, не выдерживает такой напряженности электрического поля (электрический пробой в воздухе наступает при 30 кВ/см), а мембрана выдерживает. Это нормальное условие ее деятельности, поскольку именно такое электрическое поле необходимо для поддержания разности концентраций ионов натрия, калия и хлора на мембране.

Величина потенциала покоя, различная у клеток, может изменяться при изменении условий их жизнедеятельности. Так, нарушение биоэнергетических процессов в клетке, сопровождающееся падением внутриклеточного уровня макро- эргических соединений (в частности, АТФ), прежде всего исключает компоненту потенциала покоя, связанную с работой Ма + -К + -АТФ-азы.

Повреждение клетки приводит обычно к повышению проницаемости клеточных мембран, в результате чего различия в проницаемости мембраны для ионов калия и натрия уменьшаются; потенциал покоя при этом уменьшается, что может вызвать нарушение ряда функций клетки, например возбудимости.

  • Поскольку внутриклеточная концентрация калия поддерживается почти постоянной, то даже относительно небольшие изменения внеклеточной концентрации К* могут оказывать заметное влияние на потенциалпокоя и на деятельность клетки. Подобные изменения концентрации К"в плазме крови происходят при некоторых патологиях (например, припочечной недостаточности).

text_fields

text_fields

arrow_upward

Мембранным потенциалом покоя (МПП) или потенциалом покоя (ПП) называют разность потенци­алов покоящейся клетки между внутренней и наружной сторонами мембраны. Внутренняя сторона мембраны клетки заряжена отрица­тельно по отношению к наружной. Принимая потенциал наружного раствора за нуль, МПП записывают со знаком «минус». Величина МПП зависит от вида ткани и варьирует от -9 до -100 мв. Сле­довательно, в состоянии покоя клеточная мембрана поляризована. Уменьшение величины МПП называют деполяризацией, увеличение - гиперполяризацией, восстановление исходного значения МПП - ре поляризацией мембраны.

Основные положения мембранной теории происхождения МПП сводятся к следующему. В состоянии покоя клеточная мембрана хорошо проницаема для ионов К + (в ряде клеток и для СГ), менее проницаема для Na + и практически непроницаема для внутриклеточ­ных белков и других органических ионов. Ионы К + диффундируют из клетки по концентрационному градиенту, а непроникающие анионы остаются в цитоплазме, обеспечивая появление разности по­тенциалов через мембрану.

Возникающая разность потенциалов препятствует выходу К + из клет­ки и при некотором ее значении наступает равновесие между выходом К + по концентрационному градиенту и входом этих катионов по воз­никшему электрическому градиенту. Мембранный потенциал, при ко­тором достигается это равновесие, называется равновесным потенци­ алом. Его величина может быть рассчитана из уравнения Нернста:

где Е к - равновесный потенциал для К + ; R - газовая постоянная; Т - абсолютная температура; F - число Фарадея; п - валентность К + (+1), [К н + ] - [К + вн ] - наружная и внутренняя концентрации К + —

Если перейти от натуральных логарифмов к десятичным и под­ставить в уравнение числовые значения констант, то уравнение примет вид:

В спинальных нейронах (табл. 1.1) Е к = -90 мв. Величина МПП, измеренная с помощью микроэлектродов заметно ниже — 70 мв.

Таблица 1.1 . Концентрация некоторых ионов внутри и снаружи спинальных мотонейронов млекопитающих

Ион

Концентрация

(ммоль/л Н 2 О)

Разновесный потенциал (мв)

внутри клетки

снаружи клетки
Na + 15,0 150,0
К + 150,0 5,5
Сl — 125,0

Мембранный потенциал покоя = -70 мв

Если мембранный потенциал клетки имеет калиевую природу, то, в соответствии с уравнением Нернста, его величина должна линейно снижаться с уменьшением концентрационного градиента этих ионов, например, при повышении концентрации К + во внеклеточной жид­кости. Однако линейная зависимость величины МПП (Мембранный потенциал покоя) от градиента концентрации К + существует только при концентрации К + во вне­клеточной жидкости выше 20 мМ. При меньших концентрациях К + снаружи клетки кривая зависимости Е м от логарифма отношения концентрации калия снаружи и внутри клетки отличается от теоре­тической. Объяснить установленные отклонения экспериментальной зависимости величины МПП и градиента концентрации К + теорети­чески рассчитанной по уравнению Нернста можно, допустив, что МПП возбудимых клеток определяется не только калиевым, но и натриевым, и хлорным равновесным потенциалами. Рассуждая ана­логично с предыдущим, можно записать:

Величины натриевого и хлорного равновесных потенциалов для спинальных нейронов (табл. 1.1) равны соответственно +60 и -70 мв. Значение Е Cl равно величине МПП. Это свидетельствует о пассив­ном распределении ионов хлора через мембрану в соответстии с химическим и электрическим градиентами. Для ионов натрия химический и электрический градиенты направлены внутрь клетки.

Вклад каждого из равновесных потенциалов в величину МПП определяется соотношением между проницаемостью клеточной мем­браны для каждого из этих ионов. Расчет величины мембранного потенциала производится с помощью уравнения Гольдмана:

Е m - мембранный потенциал; R - газовая постоянная; Т - аб­солютная температура; F - число Фарадея; Р K , P Na и Р Cl - константы проницаемости мембраны для К + Na + и Сl, соответственно; [К + н ], [ K + вн , [ Na + н [ Na + вн ], [Сl — н ] и[Сl — вн ]- концентрации K + , Na + и Сl снаружи (н) и внутри (вн) клетки.

Подставляя в это уравнение полученные в экспериментальных ис­следованиях концентрации ионов и величину МПП, можно пока­зать, что для гигантского аксона кальмара должно быть следующее соотношение констант проницаемости Р к: P Na: Р С1 = I: 0,04: 0,45. Очевидно, что, поскольку мембрана проницаема для ионов натрия (Р N a =/ 0) и равновесный потенциал для этих ионов имеет знак «плюс», то вход последних внутрь клетки по химическому и элект­рическому градиентам будет уменьшать электроотрицательность ци­топлазмы, т.е. увеличивать МПП (Мембранный потенциал покоя).

При повышении концентрации ионов калия в наружном растворе выше 15 мМ МПП увеличивается и соотношение констант прони­цаемости меняется в сторону более значительного превышения» Р к над P Na и Р С1 . Р к: P Na: Р С1 = 1: 0.025: 0,4. В таких условиях МПП определяется почти исключительно градиентом ионов калия, поэто­му экспериментальная и теоретическая зависимости величины МПП от логарифма отношения концентраций калия снаружи и внутри клетки начинают совпадать.

Таким образом, наличие стационарной разности потенциалов меж­ду цитоплазмой и наружной средой в покоящейся клетке обуслов­лено существующими концентрационными градиентами для К + , Na + и Сl и различной проницаемостью мембраны для этих ионов. Основную роль в генерации МПП играет диффузия ионов калия из клетки в наружный наствор. Наряду с этим, МПП определяется также натриевым и хлорным равновесными потенциалами и вклад каждого из них определяется отношениями между проницаемостями плазматической мембраны клетки для данных ионов.

Все факторы, перечисленные выше, составляют так называемую ионную компоненту МПП (Мембранный потенциал покоя). Поскольку, ни калиевый, ни натриевый равновесные потенциалы не равны МПП. клетка должна поглощать Na + и терять К + . Постоянство концентраций этих ионов в клетке поддерживается за счет работы Na + К + -АТФазы.

Однако роль этого ионного насоса не ограничивается поддержа­нием градиентов натрия и калия. Известно, что натриевый насос электрогенен и при его функционировании возникает чистый поток положительных зарядов из клетки во внеклеточную жидкость, обу­славливающий увеличение электроотрицательности цитоплазмы по отношению к среде. Электрогенность натриевого насоса была выяв­лена в опытах на гигантских нейронах моллюска. Электрофорети-ческая инъекция ионов Na + в тело одиночного нейрона вызывала гиперполяризацию мембраны, во время которой МПП был значи­тельно ниже величины калиевого равновесного потенциала. Указан­ная гиперполяризация ослаблялась при снижении температур рас­твора, в котором находилась клетка, и подавлялась специфическим ингибитором Na + , К + -АТФазы уабаином.

Из сказанного следует, что МПП может быть разделен на две компоненты - «ионную» и «метаболическую». Первая компонента зависит от концентрационных градиентов ионов и мембранных проницаемостей для них. Вторая, «метаболическая», обусловлена актив­ным транспортом натрия и калия и оказывает двоякое влияние на МПП. С одной стороны, натриевый насос поддерживает концент­рационные градиенты между цитоплазмой и внешней средой. С другой, будучи электрогенным, натриевый насос оказывает прямое влияние на МПП. Вклад его в величину МПП зависит от плотности «насосного» тока (ток на единицу плошади поверхности мембраны клетки) и сопротивления мембраны.

Мембранный потенциал действия

text_fields

text_fields

arrow_upward

Если на нерв или мышцу на­нести раздражение выше порога возбуждения, то МПП нерва или мышцы быстро уменьшится и на короткий промежуток времени (миллисекунда) произойдет перезарядка мембраны: ее внутренняя сторона станет заряженной положительно относительно наружной. Это кратковременное изменение МПП, происходящее при возбуж­дении клетки, которое на экране осциллографа имеет форму оди­ночного пика, называется мембранным потенциалом действия (МПД).

МПД в нервной и мышечной тканях возникает при снижении абсолютной величины МПП (деполяризации мембраны) до некото­рого критического значения, называемого порогом генерации МПД. В гигантских нервных волокнах кальмара МПД равен — 60 мВ. При деполяризации мембраны до -45 мВ (порог генерации МПД) воз­никает МПД (рис. 1.15).

Рис. 1.15 Потенциал действия нервного волокна (А) и изменение проводимости мембраны для ионов натрия и калия (Б).

Во время возникновения МПД в аксоне кальмара сопротивление мембраны уменьшается в 25 раз, с 1000 до 40 Ом.см 2 , тогда как электрическая емкость не изменяется. Указанное снижение сопро­тивления мембраны обусловлено увеличением ионной проницаемости мембраны при возбуждении.

По своей амплитуде (100-120 мВ) МПД (Мембранный потенциал действия) на 20-50 мВ превышает величину МПП (Мембранный потенциал покоя). Другими словами, внутренняя сторона мембраны на короткое время становится заряженной положительно по отношению к наружной, - «овершут» или реверсия заряда.

Из уравнения Гольдмана следует, что лишь увеличение проница­емости мембраны для ионов натрия может привести к таким изме­нениям мебранного потенциала. Значение Е к всегда меньше, чем величина МПП, поэтому повышение проницаемости мембраны для К + будет увеличивать абсолютное значение МПП. Натриевый равно­весный потенциал имеет знак «плюс», поэтому резкое увеличение проницаемости мембраны для этих катионов приводит к перезарядке мембраны.

Во время МПД увеличивается проницаемость мембраны для ионов натрия. Расчеты показали, что если в состоянии покоя соотношение констант проницаемости мембраны для К + , Na + и СГ равно 1:0,04:0,45, то при МПД — Р к: P Na: Р = 1: 20: 0,45. Сле­довательно, в состоянии возбуждения мембрана нервного волокна не просто утрачивает свою избирательную ионную проницаемость, а, напротив, из избирательно проницаемой в покое для ионов калия она становится избирательно проницаемой для ионов натрия. Уве­личение натриевой проницаемости мембраны связано с открыванием потенциал-зависимых натриевых каналов.

Механизм, который обеспечивает открывание и закрывание ион­ных каналов, получил название ворот канала. Принято различать активационные (m) и инактивационные (h) ворота. Ионный канал может находиться в трех основных состояниях: закрытом (m-ворота закрыты; h-открыты), открытом (m- и h-ворота открыты) и инактивированном (m-ворота открыты, h- ворота закрыты) (рис 1.16).

Рис. 1.16 Схема положения активационных (m) и инактивационных (h) ворот натриевых каналов, соответствующие закрытому (покой, А), открытому (активация, Б) и инактивированному (В) состояниям.

Деполяризация мембраны, вызываемая раздражающим стимулом, например, электрическим током, открывает m-ворота натриевых ка­налов (переход из состояния А в Б) и обеспечивает появление направленного внутрь потока положительных зарядов - ионов натрия. Это ведет к дальнейшей деполяризации мембраны, что, в свою очередь, увеличивает число открытых натриевых каналов и, следовательно, повышает натриевую проницаемость мембраны. Воз­никает «регенеративная» деполяризация мембраны, в результате ко­торой потенциал внутренней стороны мембраны стремится достичь величины натриевого равновесного потенциала.

Причиной прекращения роста МПД (Мембранный потенциал действия) и реполяризации мембраны клетки является:

а) Увеличение деполяризации мембраны, т.е. когда Е м -» E Na , в результате чего снижается электрохимический градиент для ионов натрия, равный Е м -> E Na . Другими словами, уменьшается сила, «толкающая» натрий внутрь клетки;

б) Деполяризация мембра­ны порождает процесс инактивации натриевых каналов (закрывание h-ворот; состояние В канала), который тормозит рост натриевой проницаемости мембраны и ведет к ее снижению;

в) Деполяризация мембраны увеличивает ее проницаемость для ионов калия. Выходя­щий калиевый ток стремится сместить мембранный потенциал в сторону калиевого равновесного потенциала.

Снижение электрохимического потенциала для ионов натрия и инактивация натриевых каналов уменьшает величину входящего на­триевого тока. В определенный момент времени величина входящего тока натрия сравнивается с возросшим выходящим током - рост МПД прекращается. Когда суммарный выходящий ток превышает входящий, начинается реполяризация мембраны, которая также имеет регенеративный характер. Начавшаяся реполяризация ведет к закры­ванию активационных ворот (m), что уменьшает натриевую прони­цаемость мембраны, ускоряет реполяризацию, а последняя увеличи­вает число закрытых каналов и т.д.

Фаза реполяризации МПД в некоторых клетках (например, в кардиомиоцитах и ряде гладкомышечных клеток) может замедляться, формируя плато ПД, обусловленное сложными изменениями во вре­мени входящих и выходящих токов через мембрану. В последей­ствии МПД может возникнуть гиперполяризация или/и деполяриза­ция мембраны. Это так называемые следовые потенциалы. Следовая гиперполяризация имеет двоякую природу: ионную и метаболичес­ кую. Первая связана с тем, что калиевая проницаемость в нервном волокне мембраны остается некоторое время (десятки и даже сотни миллисекунд) повышенной после генерации МПД и смещает мем­бранный потенциал в сторону калиевого равновесного потенциала. Следовая гиперполяризация после ритмической стимуляции клеток связана преимущественно с активацией электрогенного натриевого насоса, вследствие накопления ионов натрия в клетке.

Причиной деполяризации, развивающейся после генерации МПД (Мембранный потенциал действия), является накопление ионов калия у наружной поверхности мембра­ны. Последнее, как это следует из уравнения Гольдмана, ведет к увеличению МПП (Мембранный потенциал покоя).

С инактивацией натриевых каналов связано важное свойство нервного волокна, называемое рефрактерностью .

Во время абсо­ лютного рефрактерного периода нервное волокно полностью утра­чивает способность возбуждаться при действии раздражителя любой силы.

Относительная рефрактерность , следующая за абсолютной, ха­рактеризуется более высоким порогом возникновения МПД (Мембранный потенциал действия).

Представление о мембранных процессах, происходящих во время возбуждения нервного волокна, служит базой для понимания и яв­ления аккомодации. В основе аккомодации ткани при малой кру­тизне нарастания раздражающего тока лежит повышение порога воз­буждения, опережающее медленную деполяризацию мембраны. По­вышение порога возбуждения почти целиком определяется инакти­вацией натриевых каналов. Роль повышения калиевой проницаемос­ти мембраны в развитии аккомодации состоит в том, что оно при­водит к падению сопротивления мембраны. Вследствие снижения сопротивления скорость деполяризации мембраны становится еще медленнее. Скорость аккомодации тем выше, чем большее число натриевых каналов при потенциале покоя находится в инактивированном состоянии, чем выше скорость развития инактивации и чем выше калиевая проницаемость мембраны.

Проведение возбуждения

text_fields

text_fields

arrow_upward

Проведение возбуждения по нервному волокну осуществляется за счет локальных токов между возбужден­ным и покоящимися участками мембраны. Последовательность со­бытий в этом случае представляется в следующем виде.

При нанесении точечного раздражения на нервное волокно в со­ответствующем участке мембраны возникает потенциал действия. Внутренняя сторона мембраны в данной точке оказывается заря­женной положительно по отношению к соседней, покоящейся. Между точками волокна, имеющими различный потенциал, возни­кает ток (локальный ток), направленный от возбужденного (знак (+) на внутренней стороне мембраны) к невозбужденному (знак (-) на внутренней стороне мембраны) к участку волокна. Этот ток оказы­вает деполяризующее влияние на мембрану волокна в покоящемся участке и при достижении критического уровня деполяризации мем­браны в данном участке возникает МПД (Мембранный потенциал действия). Этот процесс последова­тельно распространяется по всем участкам нервного волокна.

В некоторых клетках (нейронах, гладких мышцах) МПД имеет не натриевую природу, а обусловлен входом ионов Ca 2+ по потенциал-зависимым кальциевым каналам. В кардиомиоцитах генерация МПД связана с входящими натриевым и натрий-кальциевым токами.