»: Потенциал покоя - это важное явление в жизни всех клеток организма, и важно знать, как он формируется. Однако это сложный динамический процесс, трудный для восприятия целиком, особенно для студентов младших курсов (биологических, медицинских и психологических специальностей) и неподготовленных читателей. Впрочем, при рассмотрении по пунктам, вполне возможно понять его основные детали и этапы. В работе вводится понятие потенциала покоя и выделяются основные этапы его формирования с использованием образных метафор, помогающих понять и запомнить молекулярные механизмы формирования потенциала покоя.

Мембранные транспортные структуры - натрий-калиевые насосы - создают предпосылки для возникновения потенциала покоя. Предпосылки эти - разность в концентрации ионов на внутренней и наружной сторонах клеточной мембраны. Отдельно проявляет себя разность концентрации по натрию и разность концентрации по калию. Попытка ионов калия (K +) выровнять свою концентрацию по обе стороны мембраны приводит к его утечке из клетки и потере вместе с ними положительных электрических зарядов, за счёт чего значительно усиливается общий отрицательный заряд внутренней поверхности клетки. Эта «калиевая» отрицательность составляет бóльшую часть потенциала покоя (−60 мВ в среднем), а меньшую его часть (−10 мВ) составляет «обменная» отрицательность, вызванная электрогенностью самого ионного насоса-обменника.

Давайте разбираться подробнее.

Зачем нам нужно знать, что такое потенциал покоя и как он возникает?

Вы знаете, что такое «животное электричество»? Откуда в организме берутся «биотоки»? Как живая клетка, находящаяся в водной среде, может превратиться в «электрическую батарейку» и почему она моментально не разряжается?

На эти вопросы можно ответить только в том случае, если узнать, как клетка создаёт себе разность электрических потенциалов (потенциал покоя) на мембране.

Совершенно очевидно, что для понимания того, как работает нервная система, необходимо вначале разобраться, как работает её отдельная нервная клетка - нейрон. Главное, что лежит в основе работы нейрона - это перемещение электрических зарядов через его мембрану и появление вследствие этого на мембране электрических потенциалов. Можно сказать, что нейрон, готовясь к своей нервной работе, вначале запасает энергию в электрической форме, а затем использует ее в процессе проведения и передачи нервного возбуждения.

Таким образом, наш самый первый шаг к изучению работы нервной системы - это понять, каким образом появляется электрический потенциал на мембране нервных клеток. Этим мы и займёмся, и назовём этот процесс формированием потенциала покоя .

Определение понятия «потенциал покоя»

В норме, когда нервная клетка находится в физиологическом покое и готова к работе, у неё уже произошло перераспределение электрических зарядов между внутренней и наружной сторонами мембраны. За счёт этого возникло электрическое поле, и на мембране появился электрический потенциал - мембранный потенциал покоя .

Таким образом, мембрана оказывается поляризованной. Это означает, что она имеет разный электрический потенциал наружной и внутренней поверхностей. Разность между этими потенциалами вполне возможно зарегистрировать.

В этом можно убедиться, если ввести внутрь клетки микроэлектрод, соединённый с регистрирующей установкой. Как только электрод попадает внутрь клетки, он мгновенно приобретает некоторый постоянный электроотрицательный потенциал по отношению к электроду, расположенному в окружающей клетку жидкости. Величина внутриклеточного электрического потенциала у нервных клеток и волокон, например, гигантских нервных волокон кальмара, в покое составляет около −70 мВ. Эту величину называют мембранным потенциалом покоя (МПП). Во всех точках аксоплазмы этот потенциал практически одинаков.

Ноздрачёв А.Д. и др. Начала физиологии .

Ещё немного физики. Макроскопические физические тела, как правило, электрически нейтральны, т.е. в них в равных количествах содержатся как положительные, так и отрицательные заряды. Зарядить тело можно, создав в нем избыток заряженных частиц одного вида, например, трением о другое тело, в котором при этом образуется избыток зарядов противоположного вида. Учитывая наличие элементарного заряда (e ), полный электрический заряд любого тела можно представить как q = ±N×e , где N - целое число.

Потенциал покоя - это разность электрических потенциалов, имеющихся на внутренней и наружной сторонах мембраны, когда клетка находится в состоянии физиологического покоя. Его величина измеряется изнутри клетки, она отрицательна и составляет в среднем −70 мВ (милливольт), хотя в разных клетках может быть различной: от −35 мВ до −90 мВ.

Важно учитывать, что в нервной системе электрические заряды представлены не электронами, как в обычных металлических проводах, а ионами - химическими частицами, имеющими электрический заряд. И вообще в водных растворах в виде электрического тока перемещаются не электроны, а ионы. Поэтому все электрические токи в клетках и окружающей их среде - это ионные токи .

Итак, изнутри клетка в покое заряжена отрицательно, а снаружи - положительно. Это свойственно всем живым клеткам, за исключением, разве что, эритроцитов, которые, наоборот, заряжены отрицательно снаружи. Если говорить конкретнее, то получается, что снаружи вокруг клетки будут преобладать положительные ионы (катионы Na + и K +), а внутри - отрицательные ионы (анионы органических кислот, не способные свободно перемещаться через мембрану, как Na + и K +).

Теперь нам всего лишь осталось объяснить, каким же образом всё получилось именно так. Хотя, конечно, неприятно сознавать, что все наши клетки кроме эритроцитов только снаружи выглядят положительными, а внутри они - отрицательные.

Термин «отрицательность», который мы будем применять для характеристики электрического потенциала внутри клетки, пригодится нам для простоты объяснения изменений уровня потенциала покоя. В этом термине ценно то, что интуитивно понятно следующее: чем больше отрицательность внутри клетки - тем ниже в отрицательную сторону от нуля смещён потенциал, а чем меньше отрицательность - тем ближе отрицательный потенциал к нулю. Это намного проще понять, чем каждый раз разбираться в том, что же именно означает выражение «потенциал возрастает» - возрастание по абсолютному значению (или «по модулю») будет означать смещение потенциала покоя вниз от нуля, а просто «возрастание» - смещение потенциала вверх к нулю. Термин «отрицательность» не создаёт подобных проблем неоднозначности понимания.

Сущность формирования потенциала покоя

Попробуем разобраться, откуда берётся электрический заряд нервных клеток, хотя их никто не трёт, как это делают физики в своих опытах с электрическими зарядами.

Здесь исследователя и студента поджидает одна из логических ловушек: внутренняя отрицательность клетки возникает не из-за появления лишних отрицательных частиц (анионов), а, наоборот, из-за потери некоторого количества положительных частиц (катионов)!

Так куда же деваются из клетки положительно заряженные частицы? Напомню, что это покинувшие клетку и скопившиеся снаружи ионы натрия - Na + - и калия - K + .

Главный секрет появления отрицательности внутри клетки

Сразу откроем этот секрет и скажем, что клетка лишается части своих положительных частиц и заряжается отрицательно за счёт двух процессов:

1. вначале она обменивает «свой» натрий на «чужой» калий (да-да, одни положительные ионы на другие, такие же положительные);
2. потом из неё происходит утечка этих «наменянных» положительных ионов калия, вместе с которыми из клетки утекают положительные заряды.

Эти два процесса нам и надо объяснить.

Первый этап создания внутренней отрицательности: обмен Na + на K +

В мембране нервной клетки постоянно работают белковые насосы-обменники (аденозинтрифосфатазы, или Na + /K + -АТФазы), встроенные в мембрану. Они меняют «собственный» натрий клетки на наружный «чужой» калий.

Но ведь при обмене одного положительного заряда (Na +) на другой такой же положительный заряд (K +) никакого дефицита положительных зарядов в клетке возникать не может! Правильно. Но, тем не менее, из-за этого обмена в клетке остаётся очень мало ионов натрия, потому что они почти все ушли наружу. И в то же время клетка переполняется ионами калия, которые в неё накачали молекулярные насосы. Если бы мы могли попробовать на вкус цитоплазму клетки, мы бы заметили, что в результате работы насосов-обменников она превратилась из солёной в горько-солёно-кислую, потому что солёный вкус хлорида натрия сменился сложным вкусом довольно-таки концентрированного раствора хлорида калия. В клетке концентрация калия достигает 0,4 моль/л. Растворы хлорида калия в пределах 0,009–0,02 моль/л имеют сладкий вкус, 0,03–0,04 - горький, 0,05–0,1 - горько-солёный, а начиная с 0,2 и выше - сложный вкус, состоящий из солёного, горького и кислого .

Важно здесь то, что обмен натрия на калий - неравный . За каждые отданные клеткой три иона натрия она получает всего два иона калия . Это приводит к потере одного положительного заряда при каждом акте ионного обмена. Так что уже на этом этапе за счёт неравноценного обмена клетка теряет больше «плюсов», чем получает взамен. В электрическом выражении это составляет примерно −10 мВ отрицательности внутри клетки. (Но помните, что нам надо ещё найти объяснение для оставшихся −60 мВ!)

Чтобы легче было запомнить работу насосов-обменников, образно можно выразиться так: «Клетка любит калий!» Поэтому клетка и затаскивает калий к себе, несмотря на то, что его и так в ней полно. И поэтому она невыгодно обменивает его на натрий, отдавая 3 иона натрия за 2 иона калия. И поэтому она тратит на этот обмен энергию АТФ. И как тратит! До 70% всех энергозатрат нейрона может уходить на работу натрий-калиевых насосов. (Вот что делает любовь, пусть она даже и не настоящая!)

Кстати, интересно, что клетка не рождается с готовым потенциалом покоя. Ей его ещё надо создать. Например, при дифференцировке и слиянии миобластов потенциал их мембраны изменяется от −10 до −70 мВ, т.е. их мембрана становится более отрицательной - поляризуется в процессе дифференцировки. А в экспериментах на мультипотентных мезенхимальных стромальных клетках костного мозга человека искусственная деполяризация, противодействующая потенциалу покоя и уменьшающая отрицательность клеток, даже ингибировала (угнетала) дифференцировку клеток .

Образно говоря, можно выразиться так: Создавая потенциал покоя, клетка «заряжается любовью». Это любовь к двум вещам:

1. любовь клетки к калию (поэтому клетка насильно затаскивает его к себе);
2. любовь калия к свободе (поэтому калий покидает захватившую его клетку).

Механизм насыщения клетки калием мы уже объяснили (это работа насосов-обменников), а механизм ухода калия из клетки объясним ниже, когда перейдём к описанию второго этапа создания внутриклеточной отрицательности. Итак, результат деятельности мембранных ионных насосов-обменников на первом этапе формирования потенциала покоя таков:

1. Дефицит натрия (Na +) в клетке.
2. Избыток калия (K +) в клетке.
3. Появление на мембране слабого электрического потенциала (−10 мВ).

Можно сказать так: на первом этапе ионные насосы мембраны создают разность концентраций ионов, или градиент (перепад) концентрации, между внутриклеточной и внеклеточной средой.

Второй этап создания отрицательности: утечка ионов K + из клетки

Итак, что начинается в клетке после того, как с ионами поработают её мембранные натрий-калиевые насосы-обменники?

Из-за образовавшегося дефицита натрия внутри клетки этот ион при каждом удобном случае норовит устремиться внутрь : растворённые вещества всегда стремятся выровнять свою концентрацию во всём объёме раствора. Но это у натрия получается плохо, поскольку ионные натриевые каналы обычно закрыты и открываются только при определённых условиях: под воздействием специальных веществ (трансмиттеров) или при уменьшении отрицательности в клетке (деполяризации мембраны).

В то же время в клетке имеется избыток ионов калия по сравнению с наружной средой - потому что насосы мембраны насильно накачали его в клетку. И он, тоже стремясь уравнять свою концентрацию внутри и снаружи, норовит, напротив, выйти из клетки . И это у него получается!

Ионы калия K + покидают клетку под действием химического градиента их концентрации по разные стороны мембраны (мембрана значительно более проницаема для K + , чем для Na +) и уносят с собой положительные заряды. Из-за этого внутри клетки нарастает отрицательность.

Тут ещё важно понять то, что ионы натрия и калия как бы «не замечают» друг друга, они реагируют только «на самих себя». Т.е. натрий реагирует на концентрацию натрия же, но «не обращает внимания» на то, сколько вокруг калия. И наоборот, калий реагирует только на концентрацию калия и «не замечает» натрий. Получается, что для понимания поведения ионов надо по отдельности рассматривать концентрации ионов натрия и калия. Т.е. надо отдельно сравнить концентрацию по натрию внутри и снаружи клетки и отдельно - концентрацию по калию внутри и снаружи клетки, но не имеет смысла сравнивать натрий с калием, как это, бывает, делается в учебниках.

По закону выравнивания химических концентраций, который действует в растворах, натрий «хочет» снаружи войти в клетку; туда же его влечёт и электрическая сила (как мы помним, цитоплазма заряжена отрицательно). Хотеть-то он хочет, но не может, так как мембрана в обычном состоянии плохо его пропускает. Натриевые ионные каналы, имеющиеся в мембране, в норме закрыты. Если все же его заходит немножко, то клетка сразу же обменивает его на наружный калий с помощью своих натрий-калиевых насосов-обменников. Получается, что ионы натрия проходят через клетку как бы транзитом и не задерживаются в ней. Поэтому натрий в нейронах всегда в дефиците.

А вот калий как раз может легко выходить из клетки наружу! В клетке его полно, и она его удержать не может. Он выходит наружу через особые каналы в мембране - «калиевые каналы утечки», которые в норме открыты и выпускают калий .

К + -каналы утечки постоянно открыты при нормальных значениях мембранного потенциала покоя и проявляют взрывы активности при сдвигах мембранного потенциала, которые длятся несколько минут и наблюдаются при всех значениях потенциала. Усиление К + -токов утечки ведёт к гиперполяризации мембраны, тогда как их подавление - к деполяризации. ...Однако, существование канального механизма, ответственного за токи утечки, долгое время оставалось под вопросом. Только сейчас стало ясно, что калиевая утечка - это ток через специальные калиевые каналы.

Зефиров А.Л. и Ситдикова Г.Ф. Ионные каналы возбудимой клетки (структура, функция, патология) .

От химического - к электрическому

А теперь - ещё раз самое главное. Мы должны осознанно перейти от движения химических частиц к движению электрических зарядов .

Калий (K +) положительно заряжен, и поэтому он, когда выходит из клетки, выносит из неё не только самого себя, но и положительный заряд. За ним изнутри клетки к мембране тянутся «минусы» - отрицательные заряды. Но они не могут просочиться через мембрану - в отличие от ионов калия - т.к. для них нет подходящих ионных каналов, и мембрана их не пропускает. Помните про оставшиеся необъяснёнными нами −60 мВ отрицательности? Это и есть та самая часть мембранного потенциала покоя, которую создаёт утечка ионов калия из клетки! И это - большая часть потенциала покоя.

Для этой составной части потенциала покоя есть даже специальное название - концентрационный потенциал . Концентрационный потенциал - это часть потенциала покоя, созданная дефицитом положительных зарядов внутри клетки, образовавшимся за счёт утечки из неё положительных ионов калия .

Ну, а теперь немного физики, химии и математики для любителей точности.

Электрические силы связаны с химическими по уравнению Гольдмана. Его частным случаем является более простое уравнение Нернста , по формуле которого можно рассчитать трансмембранную диффузионную разность потенциалов на основе различной концентрации ионов одного вида по разные стороны мембраны. Так, зная концентрацию ионов калия снаружи и внутри клетки, можно рассчитать калиевый равновесный потенциал E K:

где Е к - равновесный потенциал, R - газовая постоянная, Т - абсолютная температура, F - постоянная Фарадея, К + внеш и K + внутр - концентрации ионов К + снаружи и внутри клетки, соответственно. По формуле видно, что для расчёта потенциала между собой сравниваются концентрации ионов одного вида - K + .

Более точно итоговая величина суммарного диффузионного потенциала, который создаётся утечкой нескольких видов ионов, рассчитывается по формуле Гольдмана-Ходжкина-Катца. В ней учтено, что потенциал покоя зависит от трех факторов: (1) полярности электрического заряда каждого иона; (2) проницаемости мембраны Р для каждого иона; (3) [концентраций соответствующих ионов] внутри (внутр) и снаружи мембраны (внеш). Для мембраны аксона кальмара в покое отношение проводимостей Р K: PNa :P Cl = 1: 0,04: 0,45 .

Заключение

Итак, поте нциал покоя состоит из двух частей:

1. −10 мВ , которые получаются от «несимметричной» работы мембранного насоса-обменника (ведь он больше выкачивает из клетки положительных зарядов (Na +), чем закачивает обратно с калием).
2. Вторая часть - это всё время утекающий из клетки калий, уносящий положительные заряды. Его вклад - основной: −60 мВ . В сумме это и дает искомые −70 мВ.

Что интересно, калий перестанет выходить из клетки (точнее, его вход и выход уравниваются) только при уровне отрицательности клетки −90 мВ. В этом случае сравняются химические и электрические силы, проталкивающие калий через мембрану, но направляющие его в противоположные стороны. Но этому мешает постоянно подтекающий в клетку натрий, который несёт с собой положительные заряды и уменьшает отрицательность, за которую «борется» калий. И в итоге в клетке поддерживается равновесное состояние на уровне −70 мВ.

Вот теперь мембранный потенциал покоя окончательно сформирован.

Схема работы Na + /K + -АТФазы наглядно иллюстрирует «несимметричный» обмен Na + на K + : выкачивание избыточного «плюса» в каждом цикле работы фермента приводит к отрицательному заряжению внутренней поверхности мембраны. Чего в этом ролике не сказано, так это того, что АТФаза ответственна за менее чем 20% потенциала покоя (−10 мВ): оставшаяся «отрицательность» (−60 мВ) появляется за счет выхода из клетки через «калиевые каналы утечки» ионов K + , стремящихся выровнять свою концентрацию внутри клетки и вне нее.

Литература

1. Jacqueline Fischer-Lougheed, Jian-Hui Liu, Estelle Espinos, David Mordasini, Charles R. Bader, et. al.. (2001). Human Myoblast Fusion Requires Expression of Functional Inward Rectifier Kir2.1 Channels . J Cell Biol . 153 , 677-686;
2. Liu J.H., Bijlenga P., Fischer-Lougheed J. et al. (1998). Role of an inward rectifier K + current and of hyperpolarization in human myoblast fusion . J. Physiol. 510 , 467–476;
3. Sarah Sundelacruz, Michael Levin, David L. Kaplan. (2008). Membrane Potential Controls Adipogenic and Osteogenic Differentiation of Mesenchymal Stem Cells . PLoS ONE . 3 , e3737;
4. Павловская М.В. и Мамыкин А.И. Электростатика. Диэлектрики и проводники в электрическом поле. Постоянный ток / Электронное пособие по общему курсу физики. СПб: Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет;
5. Ноздрачёв А.Д., Баженов Ю.И., Баранникова И.А., Батуев А.С. и др. Начала физиологии: Учебник для вузов / Под ред. акад. А.Д. Ноздрачёва. СПб: Лань, 2001. - 1088 с.;
6. Макаров А.М. и Лунева Л.А. Основы электромагнетизма / Физика в техническом университете. Т. 3;
7. Зефиров А.Л. и Ситдикова Г.Ф. Ионные каналы возбудимой клетки (структура, функция, патология). Казань: Арт-кафе, 2010. - 271 с.;
8. Родина Т.Г. Сенсорный анализ продовольственных товаров. Учебник для студентов вузов. М.: Академия, 2004. - 208 с.;
9. Кольман Я. и Рем К.-Г. Наглядная биохимия. М.: Мир, 2004. - 469 с.;
10. Шульговский В.В. Основы нейрофизиологии: Учебное пособие для студентов вузов. М.: Аспект Пресс, 2000. - 277 с..

Мембранный потенциал

В состоянии покоя между наружной и внутренней поверхностями мембраны клетки существует разность потенциалов, которая называется мембранным потенциалом [МП), или, если это клетка возбудимой ткани, – потенциалом покоя. Так как внутренняя сторона мембраны заряжена отрицательно по отношению к наружной, то, принимая потенциал наружного раствора за нуль, МП записывают со знаком «минус». Его величина у разных клеток колеблется от минус 30 до минус 100 мВ.

Первая теория возникновения и поддержания мембранного потенциала была разработана Ю. Бернштейном (1902). Исходя из того, что мембрана клеток обладает высокой проницаемостью для ионов калия и малой проницаемостью для других ионов, он показал, что величину мембранного потенциала можно определить, используя формулу Нернста.

В 1949–1952 гг. А. Ходжкин, Э. Хаксли, Б. Катц создали со‑временную мембранно‑ионную теорию, согласно которой мембранный потенциал обусловлен не только концентрацией ионов калия, но и натрия и хлора, а также неодинаковой проницаемостью для этих ионов мембраны клетки. Цитоплазма 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. Проницаемость мембраны для ионов обусловлена ионными каналами, макромолекулами белка, пронизывающими липидный слой. Одни каналы открыты постоянно, другие (потенциалозависимые) открываются и закрываются в ответ на изменения МП. Потенциалозависимые каналы подразделяются на натриевые, калиевые, кальциевые и хлорные. В состоянии физиологического покоя мембрана нервных клеток в 25 раз более проницаема для ионов калия, чем для ионов натрия.

Таким образом, согласно обновленной мембранной теории асимметричное распределение ионов по обе стороны мембраны и связанное с этим создание и поддержание мембранного потенциала обусловлено как избирательной проницаемостью мембраны для различных ионов, так и их концентрацией по обе стороны от мембраны, а более точно величину мембранного потенциала можно рассчитать по формуле.

Поляризация мембраны в покое объясняется наличием открытых калиевых каналов и трансмембранным градиентом концентраций калия, что приводит к выходу части внутриклеточного калия в окружающую клетку среду, т. е. к появлению положительного заряда на наружной поверхности мембраны. Органические анионы – крупномолекулярные соединения, для которых мембрана клетки непроницаема, создают на внутренней поверхности мембраны отрицательный заряд. Поэтому чем больше разница концентраций калия по обе стороны от мембраны, тем больше его выходит и тем выше значения МП. Переход ионов калия и натрия через мембрану по их концентрационному градиенту в конечном итоге должен был бы привести к выравниванию концентрации этих ионов внутри клетки и в окружающей ее среде. Но в живых клетках этого не происходит, так как в клеточной мембране имеются натрий‑калиевые насосы, которые обеспечивают выведение из клетки ионов натрия и введение в нее ионов калия, работая с затратой энергии. Они принимают и прямое участие в создании МП, так как за единицу времени ионов натрия выводится из клетки больше, чем вводится калия (в соотношении 3:2), что обеспечивает постоянный ток положительных ионов из клетки. То что выведение натрия зависит от наличия метаболической энергии, доказывается тем, что под действием динитрофенола, который блокирует метаболические процессы, выход натрия снижается примерно в 100 раз. Таким образом, возникновение и поддержание мембранного потенциала обусловлено избирательной проницаемостью мембраны клетки и работой натрий‑калиевого насоса.

Мембранный потенциал покоя представляет собой электрический потенциал (запас), формирующийся между наружной поверхностью мембраны клетки и внутренней стороной Внутренняя сторона перепонки относительно наружной поверхности имеет всегда отрицательный заряд. Для клеток каждого вида потенциал покоя является величиной практически постоянной. Так, у теплокровных в волокнах скелетной мускулатуры она составляет 90 мВ, для клеток миокарда - 80, нервных клеток - 60-70. Мембранный потенциал присутствует во всех живых клетках.

В соответствии с современной теорией рассматриваемый электрический запас формируется в результате активного и пассивного передвижения ионов.

Пассивное движение происходит по для него не требуется затрат энергии. в состоянии покоя обладает большей проницаемостью для ионов калия. В цитоплазме нервных и мышечных клеток их (ионов калия) присутствует в тридцать-пятьдесят раз больше, нежели в межклеточной жидкости. В цитоплазме ионы находятся в свободном виде и диффундируют, в соответствии с градиентом концентрации, во внеклеточную жидкость сквозь мембрану. В межклеточной жидкости они удерживаются внутриклеточными анионами на внешней поверхности перепонки.

Во внутриклеточном пространстве содержатся в основном анионы пировиноградной, уксусной, аспарагиновой и прочих органических кислот. Неорганические же кислоты содержатся в относительно небольшом количестве. Сквозь мембрану анионы проникать не могут. Они остаются в клетке. Располагаются анионы на внутренней стороне мембраны.

В связи с тем, что у анионов заряд отрицательный, а у катионов - положительный, внешняя поверхность перепонки имеет заряд положительный, а внутренняя - отрицательный.

Во внеклеточной жидкости ионов натрия в восемь-десять раз больше, нежели в клетке. Их проницаемость незначительна. Однако за счет проникновения ионов натрия в некоторой степени уменьшается мембранный потенциал. При этом имеет место и диффузия ионов хлора внутрь клетки. Содержание этих ионов в пятнадцать-тридцать раз выше во внеклеточных жидкостях. За счет их проникновения мембранный потенциал несколько возрастает. Кроме того, в перепонке существует и особый молекулярный механизм. Он обеспечивает активное продвижение ионов калия и натрия в сторону повышенной концентрации. Таким образом поддерживается ионная асимметрия.

Под воздействием фермента аденозинтрифосфатазы происходит расщепление АТФ. Отравление цианидами, монойодацетатом, динитрофенолом и прочими веществами, в том числе прекращающими процессы синтеза и гликолиза АТФ, провоцирует его (АТФ) снижение в цитоплазме и прекращение функционирования "помпы".

Перепонка проницаема также и для ионов хлора (в особенности в волокнах мускулатуры). В клетках, обладающих высокой проницаемостью, ионы калия и хлора в равной степени формируют мембранный покой. При этом в прочих клетках вклад последних в указанный процесс незначителен.

«Мембранный потенциал»

Выполнила Четверикова Р

Студентка 1 курса

биолого-почвенного факультета

Введение

Немного истории

Электричество в клетке

Мембранный потенциал

Потенциал действия

Порог раздражения

Характерные свойства потенциала действия

Заключение

Введение

Современная наука развивается стремительно, и чем больше мы движемся по пути прогресса, тем больше убеждаемся в том, что для решения каких-либо научных задач необходимо объединять усилия и достижения сразу нескольких отраслей науки.

Ранее господствовала концепция витализма, согласно которым биологические явления принципиально непостижимы на основе физики и химии, так как существует некая «жизненная сила», или энтелехия, не подлежащие физическому истолкованию. В 20 веке великий физик Бор рассматривал проблему взаимоотношения биологии и физики на основе концепции дополнительности, частным случаем которой является принцип неопределенности квантовой механики.

Бор считал, что ни один результат биологического исследования не может быть однозначно описан иначе как на основе понятий физики и химии. Развитие молекулярной биологии привело к атомистическому истолкованию основных явлений жизни - таких как наследственность и изменчивость. В последние десятилетия успешно развивается и физическая теория целостных биологических систем, основанная на идеях синергетики. Эрвин Шредингер пришел к оптимистическому, хотя и не вполне успокоительному выводу: «Хотя современные физика и химия не могут объяснить процессы, происходящие в живом организме, нет никаких оснований сомневаться в возможности их научного объяснения». Сегодня имеются все основания утверждать, что современная физика не встречается с границами своей применимости к рассмотрению биологических явлений. Трудно думать, что такие границы обнаружатся в будущем.

Напротив, развитие биофизики как части современной физики свидетельствует о ее неограниченных возможностях.

На этом примере можно наглядно проследить, как достижения физики помогли ученым понять такое сложное явление.

Немного истории

Электричество у живых организмов человек обнаружил еще в глубокой древности. Вернее сказать, почувствовал, не подозревая при этом о его существовании. Этого понятия тогда не существовало. Например, древние греки остерегались встречаться в воде с рыбой, которая, как писал великий ученый Аристотель, "заставляет цепенеть животных". Рыба, наводившая страх на людей, была электрическим скатом и носила имя "торпедо". И только двести лет назад ученые поняли наконец природу этого явления.

Ученые давно хотели понять, какова же природа сигналов, перетекающих по нервам. Среди множества теорий возникавших в середине XVIII века, под влиянием всеобщей увлеченности электричеством, появилась теория о том, что по нервам передается ""электрический флюид"".

Идея летала в воздухе. Луиджи Гальвани, изучая грозовые разряды, использовал нервно-мышечный препарат лягушки. Подвесив его на медном крючке на ограждении балкона, Гальвани заметил, что когда лапки лягушки касались железного ограждения, происходило мышечное сокращение. На основании этого Гальвани делает вывод, что в биологическом объекте существует электрический сигнал. Однако, современник Гальвани - Алессандро Вольта 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).

Этот спор был началом электробиологии. И вот через полвека немецкий физиолог Э. Дюбуа-Реймон подтвердил открытие Гальвани, продемонстрировав наличие электрических полей в нервах с помощью усовершенствованной электроизмерительной аппаратуры. Ответ на вопрос, как появляется электричество в клетке, был найден еще через полвека.

Электричество в клетке

В 1890 году Вильгельм Оствальд, занимавшийся полупроницаемыми искусственными пленками предположил, что полупроницаемость может быть причиной не только осмоса, но и электрических явлений. Осмос возникает тогда, когда мембрана избирательно проницаема, т.е. пропускает одни частицы и не пропускает другие. Чаще всего проницаемось мембраны зависит от размера частицы. Такими частицами могут быть и ионы. Тогда мембрана будет пропускать ионы только одного знака, например, положительного. Действительно, если посмотреть на формулу Нернста для диффузионного потенциала Vд возникающего на границе двух растворов с концентрациями электролита С1 и С2:

где u - скорость более быстрого иона, v - скорость более медленного иона, R - универсальная газовая постоянная, F - число Фарадея, T - температура, и предположить, что мембрана для анионов не проницаема, то есть v = 0, то можно видеть, что должны появляться большие значения для Vд

(2)

Потенциал на мембране, разделяющей два раствора

Таким образом, Оствальд объединил формулу Нернста и знание о полупроницаемых мембранах. Он предположил, что свойствами такой мембраны объясняются потенциалы мышц и нервов и действие электрических органов рыб.

Мембранный потенциал (потенциал покоя)

Под мембранным потенциалом понимают разность потенциалов между внутренней (цитоплазматической) и наружной поверхностями мембраны

С помощью электрофизиологических исследований было доказано, что в состоянии физиологического покоя, на наружной поверхности мембраны имеется положительный заряд, а на внутренней поверхности - отрицательный.

Юлиус Бернштейн создал теорию, согласно которой разноимённость зарядов определяется различной концентрацией ионов натрия, калия, хлора внутри и за пределами клетки. Внутри клетки в 30-50 раз выше концентрация ионов калия, в 8-10 раз ниже концентрация ионов натрия и в 50 раз меньше ионов хлора. Согласно законам физики, если бы живая система не регулировалась, то концентрация этих ионов сравнялась бы с обеих сторон мембраны и мембранный потенциал бы исчезал. Но этого не происходит, т.к. мембрана клетки - это активная транспортная система. В мембране имеются специальные каналы для того или иного иона, каждый канал специфичен и транспорт ионов внутри и за пределы клетки является в значительной мере активным. В состоянии относительного физиологического покоя натриевые каналы закрыты, а калиевые и хлорные - открыты. Это приводит к тому, что калий выходит из клетки, а хлор заходит в клетку, в результате этого увеличивается количество положительных зарядов на поверхности клетки и уменьшается количество зарядов внутри клетки. Таким образом, на поверхности клетки сохраняется положительный заряд, а внутри - отрицательный. Такое распределение электронных зарядов обеспечивает сохранение мембранного потенциала.

молекулярный биология мембрана потенциал

Потенциал действия

Это приводит к тому, что на внутренней поверхности мембраны накапливаются положительные заряды, а на наружной - отрицательные заряды. Такое перераспределение зарядов называется деполяризацией.

В этом состоянии клеточная мембрана существует недолго (0,1-5 м.с.). Для того, чтобы клетка опять стала способной к возбуждению, её мембрана должна реполяризироваться, т.е. вернуться в состояние потенциала покоя. Для возвращения клетки к мембранному потенциалу, необходимо «откачать» катионы натрия и калия против градиента концентрации. Такую работу выполняет натриево-каливый насос, который восстанавливает исходное состояние концентрации катионов натрия и калия, т.е. восстанавливается мембранный потенциал.

Порог раздражения

Для возникновения деполяризации и последующего возбуждения раздражитель должен иметь определённую величину. Минимальная сила действующего раздражителя, способного вызвать возбуждение, называется порогом раздражения. Величина выше пороговой называется сверхпороговой, а ниже пороговой - подпороговой. Возбудимые образования подчиняются закону «всё или ничего», это значит, что при нанесении раздражения по силе, равной пороговой, возникает максимальное возбуждение. Раздражение ниже подпороговой силы не вызывает раздражение.

Для характеристики силы действующего раздражителя от времени его действия, выводят кривую, которая отражает, сколько времени должен действовать пороговый или сверхпороговый раздражитель, чтобы вызвать возбуждение. Действие раздражителя пороговой силы вызовет возбуждение только в том случае, если данный раздражитель будет действовать определенное время. Минимальная сила тока или возбуждения, которые должны действовать на возбудимые образования, чтобы вызвать раздражение называется реобазой. Минимальное время, в течении которого должен действовать раздражитель силой одной реобазы, чтобы вызвать возбуждение называется минимальным полезным временем.

Величина порога раздражения зависит не только от длительности действующего стимула, но и от крутизны нарастания. При уменьшении крутизны нарастания раздражителя ниже определённой величины, возбуждения не возникает, до какой бы силы мы не довели раздражитель. Это происходит потому, что в месте нанесения раздражителя постоянно повышается порог, и до какой бы величины не довели раздражитель, возбуждения не возникает. Такое явление-приспособление возбудимого образования к медленно нарастающей силе раздражителя называется аккомодацией.

Разные возбудимые образования имеют разную скорость аккомодации, поэтому чем выше скорость аккомодации, тем крутизна нарастания раздражителя выше.

Этот же закон работает не только для электростимуляторов, но и для других (химических, механических раздражителей/стимуляторов).

Характерные свойства потенциала действия

Полярный закон раздражения.

Это закон впервые был открыт П.Ф. Флюгером. Он установил, что постоянный ток обладает полярным действием на возбудимую ткань. Это выражается в том, что в момент замыкания цепи, возбуждение возникает только под катодом, а в момент размыкания - под анодом. Причем под анодом, при размыкании цепи, возбуждение значительно выше, чем при замыкании под катодом. Это обусловлено тем, что положительно заряженный электрод (анод) вызывает гиперполяризацию мембраны, когда поверхности касаются катода(отрицательно заряженного), он вызывает деполяризацию.

Закон «всё, или ничего»

Согласно этому закону, раздражитель подпороговой силы не вызывает возбуждения (ничего); при пороговом раздражении, возбуждение принимает максимальную величину (всё). Дальнейшёё увеличение силы раздражителя не усиливает возбуждения.

Долгое время полагали, что этот закон является общим принципом возбудимой ткани. При этом считали, что «ничего» - это полное отсутствие возбуждения, а «всё», - это полное проявление возбудимого образования, т.е. его способность к возбуждению.

Однако, с помощью микроэлектронных исследований было доказано, что даже при действии подпорогового раздражителя в возбудимом образовании происходит перераспределения ионов между наружной и внутренней поверхностями мембраны. Если с помощью фармакологического препарата повысить проницаемость мембраны для ионов натрия или снизить проницаемость для ионов калия, то амплитуда потенциалов действия повышается. Таким образом, можно заключить, что этот закон должен рассматриваться лишь, как правило, характеризующее особенности возбудимого образования.

Проведение возбуждения. Возбудимость.

В демиелинизированных и миелинезированных волокнах возбуждение передается по-разному, это обусловлено анатомическими особенностями данных волокон. Миелинизированные нервные волокна имеют перехваты Ранвье. Передача сигналов через такие волокна осуществляется с помощью перехватов Ранвье. Сигнал проскакивает через миелинизированные участки, и тем самым, проведение возбуждения по ним происходит быстрее, чем в немиелинизированных участках, возврат импульса обратно невозможен, поскольку в предыдущем перехвате повышается порог раздражений.

Возбудимость - это способность такни на раздражение или возбуждение и, следовательно, возникновением потенциала действия. Чем порог раздражения выше, тем возбуждение выше, и наоборот.

Величина порога раздражения находится в обратной зависимости от длительности (t) действия стимула и крутизны нарастания его силы

Таким образом, мы видим, что без помощи физики не удалось бы открыть тайну электричества в живых организмах, передачу нервных импульсов, мембранный потенциал - одни из важнейших аспектов современной биологии.

Мембранный потенциал (МП) представляет собой разность потенциалов между наружной и внутренней поверхностями мембраны возбудимой клетки в условиях ее покоя. В среднем у клеток возбудимых тканей МП достигает 50 – 80 мВ, со знаком минус внутри клетки. Исследование природы мембранного потенциала показало, что во всех возбудимых клетках (нейроны, мышечные волокна, миокардиоциты, гладкомышечные клетки) его наличие обусловлено преимущественно ионами К+. Как известно, в возбудимых клетках за счет работы Na-K-насоса концентрация ионов К+ в цитоплазме в условиях покоя поддерживается на уровне 150 мМ, в то время как во внеклеточной среде концентрация этого иона обычно не превышает 4 – 5 мМ. Это означает, что внутриклеточная концентрация ионов К+ в 30 – 37 раз выше, чем внеклеточная. Поэтому по градиенту концентрации ионы К+ стремятся выйти из клетки во внеклеточную среду. В условиях покоя, действительно, существует выходящий из клетки поток ионов К+, при этом диффузия осуществляется по калиевым каналам, большая часть которых открыта. В результате того, что мембрана возбудимых клеток непроницаема для внутриклеточных анионов (глутамата, аспартата, органических фосфатов), на внутренней поверхности мембраны клетки вследствие выхода ионов К+ образуется избыток отрицательно заряженных частиц, а на наружной – избыток положительно заряженных частиц. Возникает разность потенциалов, т. е. мембранный потенциал, который препятствует чрезмерному выходу ионов К+ из клетки. При некотором значении МП наступает равновесие между выходом ионов К+ по концентрационному градиенту и входом (возвратом) этих ионов по возникшему электрическому градиенту. Мембранный потенциал, при котором достигается это равновесие, получил название равновесного потенциала. Помимо ионов К+ определенный вклад в создание мембранного потенциала вносят ионы Na+ и Сl. В частности, известно, что концентрация ионов Na+ во внеклеточной среде в 10 раз больше, чем внутри клетки (140 мМ против 14 мМ). Поэтому ионы Na+ в условиях покоя стремятся войти в клетку. Однако основная часть натриевых каналов в условиях покоя закрыта (относительная проницаемость для ионов Na+, судя по экспериментальным данным, полученным на гигантском аксоне кальмара, в 25 раз ниже, чем для ионов К+). Поэтому в клетку входит лишь небольшой поток ионов Na+. Но и этого достаточно, чтобы хотя бы частично компенсировать избыток анионов внутри клетки. Концентрация ионов Сl- во внеклеточной среде также выше, чем внутри клетки (125 мМ против 9 мМ), и поэтому эти анионы также стремятся войти в клетку, очевидно, по хлорным каналам.

Мембранный потенциал

Мембранный потенциал покоя крупных нервных волокон, когда по ним не проводятся нервные сигналы, составляет около -90 мВ. Это значит, что потенциал внутри волокна на 90 мВ отрицательнее, чем потенциал внеклеточной жидкости снаружи волокна. Далее мы объясним все факторы, определяющие уровень этого потенциала покоя, но прежде необходимо описать транспортные свойства мембраны нервного волокна для ионов натрия и калия в условиях покоя. Активный транспорт ионов натрия и калия через мембрану. Натрий-калиевый насос. Вспомним, что все клеточные мембраны организма имеют мощный Na+/K+-Hacoc, постоянно выкачивающий ионы натрия наружу клетки и закачивающий внутрь нее ионы калия. Это электрогенный насос, поскольку положительных зарядов наружу перекачивается больше, чем внутрь (3 иона натрия на каждые 2 иона калия, соответственно). В результате внутри клетки создается общий дефицит положительных ионов, ведущий к отрицательному потенциалу с внутренней стороны клеточной мембраны. Na+/K+-Hacoc создает также большой градиент концентрации для натрия и калия через мембрану нервного волокна в покое: Na+ (снаружи): 142 мэкв/л Na+ (внутри): 14 мэкв/л К+ (снаружи): 4 мэкв/л К+ (внутри): 140 мэкв/л Соответственно, отношение концентраций двух ионов внутри и снаружи составляет: Na внутри / Na снаружи - 0,1 К внутри / -К снаружи = 35,0

Утечка калия и натрия через мембрану нервного волокна. На рисунке показан канальный белок в мембране нервного волокна, называемый каналом калий-натриевой утечки, через который могут проходить ионы калия и натрия. Особенно существенна утечка калия, поскольку каналы более проницаемы для ионов калия, чем натрия (в норме примерно в 100 раз). Как обсуждается далее, это различие в проницаемости чрезвычайно важно для определения уровня нормального мембранного потенциала покоя.

Таким образом, основными ионами, определяющими величину МП, являются ионы К+, покидающие клетку. Ионы Na+, входящие в клетку в небольших количествах, частично уменьшают величину МП, а ионы Сl-, также входящие в клетку в условиях покоя, в определенной степени компенсируют это влияние ионов Na+. Кстати, в многочисленных экспериментах с различными возбудимыми клетками установлено, что чем выше проницаемость клеточной мембраны для ионов Na+ в условиях покоя, тем ниже величина МП. Для того чтобы МП поддерживался на постоянном уровне, необходимо поддержание ионной асимметрии. Для этого, в частности, служат ионные насосы (Na-K-насос, а также, вероятно, Сl-насос) которые восстанавливают ионную асимметрию, особенно после акта возбуждения. Так как этот вид транспорта ионов активный, т. е. требующий затраты энергии, то для поддержания мембранного потенциала клетки необходимо постоянное наличие АТФ.

Природа потенциала действия

Потенциал действия (ПД) представляет собой кратковременное изменение разности потенциалов между наружной и внутренней поверхностями мембраны (или между двумя точками ткани), которое возникает в момент возбуждения. При регистрации потенциала действия нейронов с помощью микроэлектродной тех наблюдается типичный пикообразный потенциал. В упрощенном виде при возникновении ПД можно выделить следующие фазы: начальный этап деполяризации, затем быстрое снижение мембранного потенциала до нуля и перезарядка мембраны, далее происходит восстановление исходного уровня мембранного потенциала (реполяризация). Основную роль в этих процессах играют ионы Na+, деполяризация вначале обусловлена незначительным повышением проницаемости мембраны для ионов Na+. Но чем выше степень деполяризации, тем выше становится проницаемость натриевых каналов, тем больше ионов натрия входит в клетку и тем выше степень деполяризации. В этот период происходит не только снижение разности потенциалов до нуля, но и изменение поляризованности мембраны – на высоте пика ПД внутренняя поверхность мембраны заряжена положительно по отношению к наружной. Процессы реполяризации связаны с увеличением выхода из клетки ионов К+ через открывшиеся каналы. В целом, необходимо отметить, что генерация потенциала действия – это сложный процесс, в основе которого лежит скоординированное изменение проницаемости плазматической мембраны для двух или трех основных ионов (Na+, К+ и Са++). Основным условием возбуждения возбудимой клетки является снижение ее мембранного потенциала до критического уровня деполяризации (КУД). Любой раздражитель, или агент, способный снизить мембранный потенциал возбудимой клетки до критического уровня деполяризации, способен возбудить эту клетку. Как только МП достигнет уровня КУД, процесс будет продолжаться самостоятельно и приведет к открытию всех натриевых каналов, т. е. к генерации полноценного ПД. Если мембранный потенциал не достигнет этого уровня, то в лучшем случае возникнет так называемый местный потенциал (локальный ответ).

В ряде возбудимых тканей величина мембранного потенциала по времени непостоянна – периодически она снижается (т. е. возникает спонтанная деполяризация) и самостоятельно достигает КУД, в результате чего возникает спонтанное возбуждение, после которого мембранный потенциал восстанавливается до исходного уровня, а затем цикл повторяется. Это свойство получило название автоматии. Однако для возбуждения большинства возбудимых клеток необходимо наличие внешнего (по отношению к этим клеткам) раздражителя.